SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA
Revista Pesquisa Naval
Números 23 e 24 – nov. 2010/2011
Brasília
2010/2011
ISSN 1414-8595
REVISTA PESQUISA NAVAL
PATROCÍNIO
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA – SecCTM
EDITOR-CHEFE
V Alte ILQUES BARBOSA JUNIOR
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
EDITORES ADJUNTOS
C Alte (EN) MAURILLO EUCLIDES FERREIRA DA SILVA
Diretor do Instituto de Pesquisas da Marinha – IPqM
C Alte ANTONIO REGINALDO PONTES LIMA JUNIOR
Diretor do Centro de Análises de Sistemas Navais – CASNAV
C Alte RENATO RODRIGUES DE AGUIAR FREIRE
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira – IEAPM
CONSELHO EDITORIAL
CMG (EN) EMILSON GONÇALVES PAULO
CF CLÉDERSON BUCCI FERNANDES
2º SG-ED SUED DE SOUZA LIMA EVANGELISTA
EDIÇÃO
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA – SecCTM
REVISÃO ORTOGRÁFICA E
NORMALIZAÇÃO DE REFERÊNCIAS
Profª VALÉRIA F. DE NEGRI – FGV/RJ
Profª Mª ALICE COELHO – SME/RJ
COMISSÃO EDITORIAL
Dr. Adilson Gonzaga – USP – São Carlos/SP/Brasil
Dr. Alexandre Ricardo Soares Romariz – UnB – Brasília/DF/Brasil
Dra. Ana Maria Carmona Ribeiro – USP – São Paulo/SP/Brasil
Dr. Carlos Ventura D’Alkaine – UFSCar – São Carlos/SP/Brasil
Dr. Charles Casimiro Cavalcante – UFC – Fortaleza/CE/Brasil
Dr. Eder João Lenardão – UFPel – Pelotas/RS/Brasil
Dr. Eduardo Juan Soriano-Sierra – UFSC – Florianópolis/SC/Brasil
Dr. Eduardo Marone – UFPR – Pontal do Paraná/PR/Brasil
Dr. Ettore Apolonio de Barros – USP – São Paulo/SP/Brasil
Dr. Fernando Augusto Silva Marins – UNESP – Guaratinguetá/SP/Brasil
Dr. Flávio Soares Corrêa da Silva – USP – São Paulo/SP/Brasil
Dr. Geovany Araújo Borges – UnB – Brasília/DF/Brasil
Dr. João Luiz Becker – UFRGS – Porto Alegre/RS/Brasil
Dr. Laércio Martins de Mendonça – UFRN – Natal/RN/Brasil
Dr. Li Weigang – UnB – Brasília/DF/Brasil
Dr. Lucio Guido Tapia Carpio – UFRJ – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Dr. Luís da Cunha Lamb – UFRGS – Porto Alegre/RS/Brasil
Dr. Marco Túlio Carvalho de Andrade – USP – São Paulo/SP/Brasil
Dr. Marcos Antônio Pinto Martins – UFSM – Santa Maria/RS/Brasil
Dr. Mauro Cirano – UFBA – Salvador/BA/Brasil
Dr. Miguel Afonso Sellitto – Unisinos – São Leopoldo/RS/Brasil
Dr. Moisés Vidal Ribeiro – UFJF – Juiz de Fora/MG/ Brasil
Dr. Orlando Fontes Lima Júnior – UNICAMP – Campinas/SP/ Brasil
Dr. Rafael Timóteo de Sousa Júnior – UnB – Brasília/DF/Brasil
Dra. Silmara das Neves – USF – Itatiba/SP/ Brasil
CAPA
A capa apresenta uma representação da “Amazônia Azul” e a sobreposição
de foto dos dois Laboratórios Nacionais Embarcados da Marinha do Brasil,
atualmente em atividade: O Aviso de Pesquisa “Aspirante Moura” e o Navio
Hidroceanográfico “Cruzeiro do Sul”.
A Revista Pesquisa Naval tem como missão proporcionar à comunidade
científica um canal formal de comunicação e de disseminação da produção
técnico-científica nacional, por meio da publicação de artigos originais que
sejam resultados de pesquisas científicas e que contribuam para o avanço
do conhecimento nas áreas de interesse da MB.
Os artigos aqui publicados não refletem a posição ou a doutrina da
Marinha e são da responsabilidade dos seus autores.
Revista Pesquisa Naval / Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
v. 1, n. 1, 1988 – Brasília – DF – Brasil – Marinha do Brasil
Anual
Título Abreviado: Pesq. Nav.
ISSN 1414-8595
1. Marinha – Periódico – Pesquisa Científica. Secretaria de Ciência, Tecnologia
e Inovação da Marinha.
CDU 001.891.623/.9
CDD 623.807.2
Revista Pesquisa Naval
SUMÁRIO
Apresentação
Vice-Almirante ILQUES BARBOSA JUNIOR
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha...............................................................................................................7
NÚMERO 23
Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações
Desempenho de um Sistema de Telecomunicações OFDM com Estimativas de Segunda Ordem
baseadas em Casamento de Correlação de Dados
Deolinda Fontes Cardoso, Fabian David Backx, Raimundo Sampaio Neto.............................................................9
Processos Decisórios
A Contribuição das Cartas Vetoriais para a Construção da Consciência Situacional
Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira, Capitão-de-Mar-e-Guerra Marcus Vinícius da Silva Roberto,
Capitão-de-Corveta (EN) Rodrigo Alves Natalizi, Capitão-Tenente (T) André Kouzmine................................. 16
Avaliação dos Portos Brasileiros por meio do Índice de Malmquist
Capitão-de-Corveta Renato Leite Fernandes................................................................................................................ 26
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Desenvolvimento de um Sistema de Patrulhamento Tático Multi-Operacional Utilizando Veículos Aéreos Não-Tripulados
Rodrigo Kuntz Rangel, Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira, Karl Heinz Kienitz,
Brigadeiro Mauricio Pazini Brandão..............................................................................................................................34
NÚMERO 24
Materiais Especiais
Síntese e Avaliação da Ação Algicida de Lyso-glicerofosfocolinas
Capitão-de-Corveta (EN) William Romão Batista, Vanessa de Almeida Martins,
Maria Helena Campos Baeta Neves, Ricardo Coutinho, Rosangela Sabbatini Capella Lopes, Cláudio Cerqueira Lopes..................................................................................................................................................44
Sulfonação da Base de Esmeraldina para Utilização como Membranas Trocadoras de Prótons para Células a Etanol
Ana Paula Santiago De Falco, Magali Silveira Pinho, Luis Cláudio Mendes, Roberto da Costa Lima,
Wido H. Schreiner............................................................................................................................................................54
Processos Decisórios
Sistema baseado em Inteligência Artificial para Agrupamento e Classificação de Dados na Construção Naval
Karen Barañano Souza, Silvia da Costa Botelho......................................................................................................... 60
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Redução de Seção Reta Radar com Emprego de Metamateriais
Capitão-de-Corveta Márcio Martins da Silva Costa, Capitão Aviador Luis Felipe de Moura Nohra,
Tenente Coronel José Everardo J. Ferreira.........................................................................................................................68
Contribuição Especial
Inteligência Artificial na Marinha: um Caminho a ser trilhado
Capitão-de-Fragata Dilson Godoi Espenchitt.....................................................................................................................75
Apresentação
A Revista Pesquisa Naval apresenta à comunidade científica mais uma coletânea de estudos
desenvolvidos por pesquisadores das áreas de interesse do Sistema de Ciência, Tecnologia e Inovação
da Marinha – SCTMB.
A Marinha do Brasil, para o contínuo fortalecimento do SCTMB, vem estabelecendo parcerias
estratégicas com centros de excelência acadêmica e científica, proporcionando, assim, a melhoria da
qualidade das pesquisas navais, tanto no intercâmbio de conhecimentos entre os pesquisadores, quanto
por meio do aprimoramento da infraestrutura de apoio às pesquisas científicas.
O esforço para o aprimoramento pode ser constatado com as aquisições dos denominados
Laboratórios Nacionais Embarcados (LNE): o Navio Hidroceanográfico “Cruzeiro do Sul” e o Aviso
de Pesquisa “Aspirante Moura”, em parceria com o Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação,
Diretoria de Hidrografia e Navegação, Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP e Fundação
de Desenvolvimento da Pesquisa – FUNDEP. Esses novos LNE, juntamente com o Navio Polar
“Almirante Maximiano” contribuem significativamente para ampliar o conhecimento científico e
tecnológico, fortalecendo, ainda mais, a soberania nacional nos espaços oceânicos.
A Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha congratula os pesquisadores, cujos artigos
agregam, à Revista Pesquisa Naval, um elevado valor de conhecimento científico e tecnológico e
agradece aos seus colaboradores ad hoc, o trabalho desenvolvido no processo de avaliação dos artigos
submetidos para publicação nesta revista.
A Revista Pesquisa Naval, visando à divulgação do conhecimento e da produção científica, convida a
academia, a comunidade científica, o empresariado e a comunidade naval a usufruírem deste espaço e
a interagirem de forma profícua e agradável.
Bons ventos, mares tranquilos e boa leitura!
ILQUES BARBOSA JUNIOR
Vice-Almirante
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
7
Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações
Desempenho de um Sistema de Telecomunicações
OFDM com Estimativas de Segunda Ordem baseadas em
Casamento de Correlação de Dados
Deolinda Fontes Cardoso
Doutora em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Pesquisadora do Centro de Análises de Sistemas Navais – Rio de Janeiro,
RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Fabian David Backx
Doutor em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Pesquisador do Instituto de Pesquisas da Marinha – Rio de Janeiro, RJ –
Brasil.
E-mail: [email protected]
Raimundo Sampaio Neto
Doutor em Engenharia Elétrica pela University of Southern California – Los
Angeles, CA – Estados Unidos.
Professor do Centro de Estudos em Telecomunicações da Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
No presente estudo, técnicas de casamento de correlação
de dados são aplicadas para obter estimativas cegas dos
parâmetros do canal de propagação multipercurso, em
um sistema de transmissão digital OFDM (Orthogonal
Frequence Division Multiplexing). O intervalo de guarda
considerado é do tipo Zero Padding (ZP). A técnica
de casamento de correlação de dados apresentada
é usada
para identificar a resposta ao impulso do
canal nas transmissões no enlace reverso do sistema.
Basicamente, nessa técnica a Matriz de Auto Correlação
dos dados recebidos é comparada com a Matriz de
Auto Correlação estimada por meio de uma média
temporal. Após a comparação das duas matrizes de auto
correlação, a real e a estimada, é gerada uma Matriz de
Erro; por meio da minimização do quadrado da norma de
Frobenius dessa matriz de erro os parâmetros do canal
podem ser estimados com uma ambiguidade escalar
complexa. Simulações, por meio do método Monte
Carlo, indicaram que o método proposto, neste estudo,
apresenta desempenho comparável aos métodos de
identificação de subespaço, porém, com complexidade
computacional mais amena.
Palavras-chave
Simulação Monte Carlo. Técnica de Casamento de
Correlação. Problema de Minimização Quadrática.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
Performance of an OFDM
Telecommunications System with estimate
based on Data Correlation Matching
Abstract
In this paper, correlation matching techniques are
applied to blindly estimate multipath parameters for a
Zero Padded OFDM (Orthogonal Frequence Division
Multiplexing) system. A technique is proposed to identify
the impulse response of the multipath channel in the uplink
transmission. Basically, in this technique the correlation
matrix of the received data sequence is compared to
its estimate by sample average. After matching of two
correlation matrices, the real and the estimate, is derived
a Error Matrix; by minimizing the square of the Frobenius
norm of the resulting error matrix, the channel parameters
can be estimated by a complex scalar ambiguity.
Simulations, by means of the Monte Carlo Method, have
indicated that the proposed method has a performance
comparable to the existing subspace methods, but with a
milder computational complexity.
Keywords
Monte Carlo Simulation. Correlation Matching Techniques.
Square Minimization Problem.
1. Introdução
O primeiro passo para avaliar o desempenho de
um sistema de transmissão de dados por meio
de simulação é construir um consistente modelo
matemático do problema [6]. Esse modelo é, tipicamente, composto por um conjunto de equações e de expressões numéricas que permitem
descrever o comportamento do sistema e, geralmente, são utilizados métodos matemáticos baseados em Estatísticas de Segunda Ordem (Second
Order Statistics) do vetor dos sinais recebidos. As
estatísticas são usadas para obter as estimativas,
9
Deolinda Fontes Cardoso / Fabian David Backx / Raimundo Sampaio Neto
de parâmetros desconhecidos, relevantes para a
modelo da simulação.
Na literatura especializada, destacam-se os métodos matemáticos baseados em: identificação
de subespaço [5], em otimização com restrições
[4;7]: como a de mínima variância [2;8] ou a de
módulo constante [3] e casamento de correlação
de dados recebidos [1;9].
Neste estudo, aplicamos a técnica de casamento
de correlação (Correlation Matching), um caso especial do método de momentos (Moment Method),
para obter estimativas cegas da resposta ao impulso do canal de transmissão. Tais estimativas
são fundamentais no algoritmo de estimação do
canal, parte integrante do modelo, para a avaliação do desempenho de sistemas de comunicações digitais.
O método de estimação cega, baseado em casamento de correlação de dados, foi escolhido por
permitir obter estimativas despolarizadas com
convergência assintótica ótima e com menor
magnitude computacional, quando comparado
aos tradicionais métodos de estimação cegos por
identificação de subespaço do ruído. Assim, é
investigado e confrontado o desempenho de um
sistema padrão de transmissão de dados OFDM
utilizando estimativas obtidas pelos métodos de
casamento de correlação e de identificação de subespaço.
No procedimento analítico, a matriz correlação
dos dados recebidos, parametrizada pelo vetor
desconhecido dos coeficientes do canal de transmissão, é comparada com a sua estimativa, obtida
por amostragem média. A função custo a minimizar é definida como o quadrado da norma de
Frobenius da matriz Erro resultante dessa comparação.
Empregando um conjunto de poderosos operadores matemáticos como: o produto de Kronecker, gradiente complexo e o vetor de empilhamento de colunas de matrizes, é possível
10
desenvolver a modelagem matemática vetorial
para a construção do modelo analítico dos sinais.
O modelo analítico é necessário e primordial para
a construção do modelo de simulação do sistema.
O método de simulação escolhido foi o de Monte Carlo por apresentar uma estrutura simples e
bastante flexível e, ainda, por permitir obter as
distribuições mais prováveis neste problema de
complexidade exponencial. Todavia, um elevado
número de simulações é necessário para reduzir o
erro da estimativa da solução procurada.
Os resultados de desempenho simulado do Erro
Médio Quadrático (Mean Square Error) e da Taxa
de Erro de Bit - BER (Bit Error Rate) mostraram
que o método de casamento de correlação permitiu obter estimativas de qualidade e ressaltou a
importância do uso da simulação como uma ferramenta de auxílio na avaliação do desempenho
de um complexo sistema de comunicações.
Este artigo, que apresenta ao leitor o estudo realizado sobre o desempenho de um sistema de
telecomunicações OFDM com estimativas de
segunda ordem baseadas em casamento de correlação de dados, está organizado da seguinte
forma: a Seção 2 descreve a Modelagem Matemática do Sistema onde estão apresentadas as
análises para minimização da função custo. A
Seção 3 apresenta as simulações realizadas e na
Seção 4, encontram-se as conclusões chegadas
com este estudo.
Notação adotada: caracteres maiúsculos em negrito denotam matrizes; caracteres minúsculos
em negrito denotam vetores. Os operadores (.)T,
(.)H indicam transposto de um vetor e hermitiano
(transposto conjugado) de um vetor; o operador
representa o produto de Kronecker. O operador vetor vec{.} é obtido pelo empilhamento de
cada coluna de uma matriz sobre outra coluna,
resultando em um vetor longo composto por
todas as colunas da matriz; ||A||F representa
a norma de Frobenius da matriz A, definida como
[vecH(A)vec(A)] ½. O operador E [.] representa o
valor esperado.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações
2. A modelagem matemática do
sistema
Neste estudo, consideramos o equivalente
a tempo discreto de um sistema OFDM
de transmissão de blocos por meio de M
subportadoras ortogonais. Os símbolos de
dados transmitidos são descorrelacionados, com
energia unitária e oriundos de constelações BPSK
(Binary Phase Shif Keying). No transmissor a cada
bloco de M símbolos é aplicada uma operação
de Transformada Inversa Discreta de Fourier de
M pontos e, a seguir, um intervalo de guarda do
tipo ZP (Zero Padding) composto por G símbolos
[5] é adicionado ao final de cada bloco para
garantir a ausência da sobreposição de blocos
na recepção. O bloco OFDM resultante, de
dimensão P=M+G (onde G é o comprimento
do intervalo de guarda) é transmitido por meio
de um canal com múltiplos percursos, cujo
equivalente discreto é modelado por uma matriz
de convolução Toeplitz triangular inferior Hc de
dimensões P x P na qual a primeira coluna é a
resposta ao impulso do equivalente discreto h
do canal estendida com zeros; supondo-se que
esse vetor tem comprimento L (L coeficientes), o
comprimento do intervalo de guarda G deve ser
no mínimo igual a (L - 1).
Considerando-se o equivalente discreto do
sistema, descrito acima, tem-se que o modelo
vetorial do sinal recebido correspondente ao
i-ésimo bloco OFDM transmitido é dado pela
seguinte expressão:
r (i) = H FH b(i) + n (i)
(1)
onde a matriz H é uma matriz Toeplitz, de
dimensões P x M formada pelas primeiras M
colunas da matriz Hc; a matriz FH de dimensões
M x M implementa a Transformada Inversa
Discreta de Fourier realizada na transmissão e
satisfaz a condição F FH = FH F = IM; sendo
IM a matriz identidade de dimensões M x M;
o vetor b(i) representa o bloco de M símbolos
de dados transmitido e o vetor de ruído
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
n(i), originado pelo ruído branco gaussiano
presente na entrada do receptor, é um vetor
gaussiano de média nula e matriz covariância
Cov= E[ n(i) nH (i) ] = s2IP.
A partir do vetor do sinal recebido (1) calcula-se a
sua matriz correlação, de dimensões P x P.
Rr = E [r (i) rH (i) ]
= H F E [b (i) bH (i) ] FH HH + E [n(i) nH(i)]
= H HH + s2 IP
= H H H + s2 I P
(2)
onde foi utilizado E [b(i)b(i)H] = IM (símbolos
descorrelacionados com energia unitária) e o
parâmetro s2 representa a potência do ruído.
As colunas da matriz Toeplitz do canal H podem
ser expressas como o produto entre M matrizes
esparsas Sm (m = 1...M) de dimensões P x L e o
vetor h dos coeficientes do canal de dimensão
L x 1:
H = [ S1 h | S 2 h | . . . | S M h ]
(3)
onde a matriz S1 = [ IL 0P-L ] é formada pela
matriz identidade de dimensões L x L e por
uma matriz 0P-L com (P-L) linhas de zeros e as
outras matrizes Sm são formadas deslocando-se
a matriz identidade de uma linha abaixo:
Si =
[ 0(i-1) IL 0(P-L-i) ]
Substituindo (3) na expressão (2) temos:
Rr = Σm=1M Sm hhH SmT + s2IP
= Σm= 1M Sm A SmT + s2IP
(4)
Assim, a expressão da matriz correlação, Rr (h, s2),
é função de L+1 parâmetros: os L coeficientes
do canal h; e a potência do ruído s2. A matriz
A = hhH é uma matriz de posto unitário, com
dimensões L x L.
11
Deolinda Fontes Cardoso / Fabian David Backx / Raimundo Sampaio Neto
Neste estudo, a estimativa da matriz correlação,
no i-ésimo intervalo de transmissão, é obtida como
uma média temporal ao longo dos blocos de
símbolos transmitidos:
J (i) = [Dx + s2 j - q (i)]H [Dx + s2 j - q (i)] =
xHDH Dx + j H s2 Dx + j H s4 j + xHDH j s2
+ q (i)H q (i) - q (i)H Dx - q (i)H j s2 - xHDH q (i)
- j s2 q (i)
(12)
Rre (i)= 1 / i Σij=1 r (j) rH (j)
A função custo J(i) é real e quadrática nas
variáveis complexas (x, s2) e uma estimativa da
variável (vetor) x, para posterior obtenção do
vetor h desejado, pode ser obtida por meio da
minimização dessa função.
(5)
Definindo a matriz Erro E(i), de dimensões P
x P, como o erro resultante da comparação da
matriz correlação, dada na equação (4), com a
sua estimativa, dada em (5), temos:
E(i) = Rr - Rre (i)
(6)
A função custo considerada é definida como o
quadrado da norma de Frobenius da matriz de
erro E(i), para cada bloco de símbolo de dados
transmitido, assim:
J (i) = || E(i) ||F 2 = vecH [ E(i)] vec [ E(i)]
(7)
Aplicando o operador vec (.) na matriz de erro (6),
temos:
vec (E(i)) = vec (Rr) - vec (Rr (i)) (8)
e
vec (Rr) = Σm=1M vec (SmASmT ) + s2 vec (IP)
(9)
utilizando-se a propriedade vec (SmASmT ) =
(Sm
Sm) vec (A), onde
representa o Produto
de Kronecker, podemos reescrever a expressão (9)
na seguinte forma:
Sm) vec (A) + s2vec (IP)
= D vec (A) + s2 vec (IP)(10)
Substituindo (10) na expressão (8), obtém-se:
vec (E(i)) = Dx + s2 j - q (i)
(11)
Sm),
x = vec (A)
onde D=Σm=1M (Sm
H
x = vec (h h ), j = vec (I) e q(i) = vec (Rr e(i)) .
Assim, a expressão da função de custo em (7)
incorporando as quantidades definidas torna-se:
12
A minimização da função de custo é realizada
calculando a sua derivada conjugada (gradiente
complexo) em relação ao vetor x e a potência do
ruído s2 e igualando os valores a zero:
dx* J (i) = DH Dx + DH j s2 - DH q (i)
(13)
ds J (i) = 2(j H Dx + s2 j H j - j H q (i))
(14)
2
onde x* representa o valor conjugado do vetor x.
A expressão (4) pode ser reescrita como:
vec (Rr) = Σm=1M (Sm
3. MINIMIZAÇÃO DE FUNÇÃO REAL
COM MÚLTIPLAS VARIÁVEIS
Igualando a derivada em relação a variável s2 a
zero, temos:
j H Dx + s2 j H j - j H q (i) = 0
(15)
resultando em:
s2 = 1 /P [j H q (i) - j H Dx]
(16)
Substituindo o valor de s2 dado em (16) na
expressão (13), obtém-se:
dx* J (i) = DH Dx + DH j s2 - DH q (i)
= DH Dx + DH j 1 /P [j H q (i) - j H Dx]
- DH q (i)
= DH Dx + 1 /P DH j j H q (i) 1 /P DH j j H Dx - DH q (i) = 0
(17)
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações
cuja solução fornece uma estimativa xe do vetor
x dada por:
xe (i) = [ DH ( IP - 1/P j j H) D]-1 DH(IP - 1/P j j H) q (i)
(18)
uma vez obtida uma estimativa do vetor x e
lembrando que x = vec (A) = vec (h hH), a aplicação
da operação inversa resulta em hhH = A = unvec(x).
Por meio de uma operação de decomposição por
valor singular é possível obter uma estimativa
he (do vetor h) como sendo o vetor singular
associado ao máximo valor singular da matriz
Ae (i) = unvec ( xe (i) ), esse valor é único pois a
matriz tem rank (posto) unitário [1].
O vetor singular he obtido é, portanto, uma
estimativa do vetor da resposta ao impulso do
canal necessário ao nosso modelo matemático
e, por ser decorrente de uma minimização
quadrática, contém uma ambiguidade de fase
escalar complexa. Após a estimação do canal, é
necessário realizar a equalização do sinal recebido
seguida da detecção do bloco de dados b(i)
transmitido. Uma vez desenvolvido o modelo
matemático e sendo este adequado e válido para
o propósito a que se destina, inicia-se a etapa da
realização das simulações.
4. Simulações
Nesta seção, estão apresentados os resultados
obtidos por meio de simulações empregando
o método de Monte Carlo. O simulador foi
desenvolvido em linguagem MATLAB 7.0 da
MathWorks. O canal de propagação é modelado
como um filtro de resposta ao impulso finita
composto por L = 4 percursos (taps), cujos
coeficientes são do tipo ht = at pt onde o índice é
t = 1,2,..,L, at é uma variável gaussiana complexa
de média nula e E[||at ||2 ]=1. Os valores de at
são gerados randomicamente no início de cada
trial e mantidos fixos ao longo de cada teste. Os
pesos pt satisfazem a ΣLt=1 | pt |2= 1; sendo que
os valores dos 4 pesos complexos utilizados
são: p1 = 0.5957+j0.0101; p2 = -0.3273-j0.3472;
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
p3 = 0.2910-j0.0533; e p4 = 0.1285-j0.5599. A
ambiguidade de escalar complexa dos estimadores
é solucionada escolhendo o primeiro coeficiente
h1 = at ( 0.5957+j0.0101) como referência.
Na Figura 1, está ilustrada uma das possíveis
respostas em frequência do canal randômico
gerado aleatoriamente no inicio de um trial.
Figura 1
Resposta em Frequência do Canal de Comprimento 4.
Na Figura 2, estão ilustradas as curvas de
desempenho do Erro Médio Quadrático da
Estimativa do Canal versus o Número de Blocos
de Símbolos Transmitidos (NB). Os valores de
NB variaram de 0 a 2.500 blocos de símbolos, em
um ambiente com razão sinal ruído
Eb/No
= 5 decibel. O número de subportadoras (é um
valor de potência de 2) é M = 32; e o intervalo de
guarda Zero Padding é suficiente para acomodar as
parcelas atrasadas do sinal (G > L) com G = 8. O
número de simulações foi de 100 trials (rodadas)
sendo que os resultados ilustrados são a média do
número de trials efetuados.
Na legenda ‘casamento de correlação’ refere-se à
estimativa obtida pelo método desenvolvido
neste trabalho e ‘identificação de subespaço’ refere-se
à estimativa obtida pelo método de decomposição
por valor singular descrito em [5]. É possível
13
Deolinda Fontes Cardoso / Fabian David Backx / Raimundo Sampaio Neto
observar que, conforme o número de símbolos
aumenta, o desempenho de erro médio quadrático
da estimativa obtida por casamento de correlação
converge para o nível de 10-3, na média das 100
simulações realizadas, valor esse de erro médio
inferior ao observado para o estimador obtido
por ‘identificação de subespaço’ que atinge nível
de 10-2. Além disso, o estimador proposto é
consistente exibindo convergência assintótica
para o seu valor real.
Figura 2
Desempenho de Erro Médio Quadrático versus
Número de Blocos de Símbolos (NB).
equalização ZF e MMSE são praticamente
coincidentes e apresentam desempenhos de
BER, respectivamente, superiores aos dos
estimadores obtido por ‘identificação de subespaço’
com equalização ZF e MMSE; e a diferença
entre os dois pares de desempenhos tornam-se
mais evidentes como o aumento da razão sinal
ruído.
Figura 3
Desempenho da Taxa de Erro de Bit (BER) versus
Razão Sinal Ruído.
5. conclusões
Na Figura 3, estão apresentadas as curvas de
desempenho, obtidas pelo método Monte Carlo,
da Taxa de Erro de Bit (BER) versus a Razão Sinal
Ruído (Eb/ N0) numa faixa de -10 a +20 decibel e
utilizaram-se a duas formas de equalização: a Zero
Forcing (ZF) e a de Mínimo Erro Médio Quadrático
(MMSE). O desempenho BER do sistema com
os estimadores de canal obtidos por ‘casamento de
correlação’ é similar ao do sistema empregando os
estimadores obtido por ‘identificação de subespaço’
até cerca de – 5 dB. Quando Eb/ N0 > - 5
dB os quatro estimadores são melhorados com
o aumento da Razão Sinal Ruído. Em 0 dB
os níveis de BER, dos quatro estimadores, são
ligeiramente menores que 2 x 10-1 sendo que
os estimadores por ‘casamento de correlação’ com
14
Os sistemas de transmissão digital apresentam alta
complexidade na modelagem matemática, principalmente devido aos diversos efeitos randômicos
presentes no canal de propagação rádio móvel.
Assim, uma modelagem do sistema, próxima da
real, é bastante difícil e a análise do seu desempenho é praticamente impossível, mesmo adotando
um número significativo de simplificações. Sendo
assim, a representação do sistema real por meio
de um modelo simulado, utilizando o computador,
é a abordagem mais adequada, proporcionando
vantagens significativas, entre as quais se destacam: a visualização global do funcionamento do
sistema; a facilidade de implementar distintos cenários; a significativa redução da complexidade do
problema;e a minimização de custos do projeto.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações
No presente estudo, desenvolvemos, para um sistema OFDM de transmissão de blocos por múltiplas
portadoras, um modelo matemático baseado na
técnica de casamento de correlação de dados. Essa
técnica permite obter estimativas de parâmetros
necessárias no modelo da simulação. Tais estimativas são obtidas a partir da minimização da função
custo igualando o seu gradiente complexo a zero.
Uma vez construído o modelo matemático do
sistema, é possível desenvolver, em linguagem de
programação, o modelo da simulação que permitirá investigar e avaliar o desempenho e a capacidade do sistema. A simulação empregou o método de Monte Carlo com o objetivo de comparar
o desempenho do sistema utilizando estimativas
obtidas pela da técnica de correlação proposta e
utilizando estimativas obtidas por uma técnica tradicional de decomposição por valor singular (identificação de subespaço).
Os resultados revelaram que as estimativas de canal obtidas por casamento de correlação permitem
resultados de desempenho de Erro Médio Quadrático consistente com o aumento do número
de blocos de símbolos NB processados no sistema
e assintoticamente convergentes para o valor real
(NB → ∞). Além disso, o emprego das estimativas
obtidas por casamento de correlação permitiu ao
sistema um desempenho de BER superior (menor
Taxa de Erro de Bit) ao dos tradicionais métodos
de subespaço em ambientes de baixa, média e alta
razão sinal ruído; o que garante a aplicabilidade
efetiva dos estimadores propostos para análise do
desempenho de sistemas de transmissão de blocos
por múltiplas portadoras.
Referências
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Raimundo Sampaio. Blind Channel Estimation for ZeroPadded OFDM Systems Based on Correlation Matching.
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Minimum Variance CDMA Receivers. IEEE Transactions on
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[8] _______. Blind adaptive Algorithm for Minimum
Variance CDMA Receivers. IEEE Transactions on Communications,
vol. 49, n. 1, Janeiro, 2001.
[9] XU, Z.; TSATSANIS, M. K. Blind Channel Estimation for
Long Code Multiuser CDMA Systems. IEEE Transactions on
Signal Processing, v. 48, n. 4, Abril, 2000.
6. Agradecimento
Os autores agradecem ao, então, Vice-Almirante
Bernardo José Pierantoni Gambôa, quando Diretor
do Centro de Análises de Sistemas Navais – CASNAV– MB, pelo valioso incentivo e o parcial financiamento para o desenvolvimento desta pesquisa
realizada em conjunto com o Centro de Estudos
em Telecomunicações da Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, CETUC / PUC-Rio.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 9-15
15
Processos Decisórios
A Contribuição das Cartas Vetoriais para a
Construção da Consciência Situacional
Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira, Dr.
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil
E-mail: [email protected]
Capitão-de-Mar-e-Guerra Marcus Vinícius da
Silva Roberto, Me.
the decision maker to increase the situational awareness.
This enhancement facilitates and directs the decision
making process within the Observing, Orienting, Deciding
and Acting (OODA) cycle, being a decisive point for an
efficient and effective Command and Control (C2) .
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil
E-mail: [email protected]
Keywords
Capitão-de-Corveta (EN) Rodrigo Alves Natalizi,
Me.
Data fusion. OODA cycle. Situational awareness. Vector
charts.
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil
E-mail: [email protected]
Capitão-Tenente (T) André Kouzmine
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil
E-mail: [email protected]
1. INTRODUÇÃO
Resumo
Este artigo apresenta a contribuição que as informações
do banco de dados das cartas eletrônicas vetoriais,
empregadas com o conceito de fusão de dados, podem
oferecer para o aprimoramento da compilação do quadro
tático e visualização do cenário para o decisor de modo
a elevar a consciência situacional. Este aprimoramento
facilita e direciona o processo de tomada de decisão
dentro do ciclo Observar, Orientar, Decidir e Agir (OODA),
sendo ponto decisivo para que o Comando e Controle
(C2) seja eficiente e eficaz.
Palavras-chave
Fusão de Dados. Ciclo OODA. Consciência situacional.
Cartas vetoriais.
The contribution of vector electronic
charts for the construction of situational
awareness
Abstract
This article presents the contribution provided by vector
electronic charts database, used together with the concept
of data fusion, to the improvement of tactical picture
compilation and to the visualization of the scenario by
16
O fundamento básico de Comando e Controle (C2) no ambiente marítimo está no emprego
oportuno da informação para produção de conhecimento, que servirá para levar o Comandante a tomar decisões corretas e empreender ações
efetivas. O diferencial no teatro de operações está
a favor daqueles que detêm a informação correta
em tempo hábil e o desafio é selecionar a informação útil dentre a grande população de dados
existentes. A construção da consciência situacional é um aspecto decisivo para que o ciclo de Comando e Controle (C2) seja eficiente e eficaz.
O Centro de Operações de Combate (COC) representa o núcleo do processo decisório tático de
um navio na condução da guerra. Este núcleo é
composto por diversos operadores e sistemas que
monitoram os ambientes acima e abaixo d’água por
meio dos dados coletados pelos sensores, contribuindo para a compilação do quadro tático e para
a construção da consciência situacional do decisor
– Oficial Avaliador ou Comandante do navio.
Esta consciência situacional, segundo Ly (et al.,
2003), é um processo de interpretação da situação utilizando informações incompletas, haja visRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Processos Decisórios
ta que há um espaço considerável entre as informações disponíveis e as informações necessárias
para a obtenção de uma avaliação tática confiável.
Nesse contexto, a inclusão de informações vetoriais provenientes de cartas náuticas eletrônicas
e de camadas adicionais militares ou Additional
Militar Layers (AML) incrementaria, substancialmente, a qualidade e quantidade de informações
disponíveis para a compilação do quadro tático.
O aumento de informações disponíveis por meio
do emprego de mais sensores e de informações
vetoriais implica a utilização do conceito de fusão de dados. No cenário marítimo, este conceito
visa a aprimorar a consciência situacional transformando os acompanhamentos de um mesmo
objeto físico observado e reportado por diferentes fontes em um único acompanhamento resultante. Além disso, visa a subsidiar a classificação
e a identificação destes objetos físicos sem a necessidade da interferência humana no processo
(OLIVEIRA, 2009).
Os equipamentos destinados à leitura e à visualização de cartas eletrônicas vetoriais no formato S57
são denominados de Electronic Chart Systems (ECS)
ou sistemas de carta eletrônica. Quando estes equipamentos são constituídos de componentes de
hardware e de software certificados e homologados
de acordo com a resolução CEI 61174, passam a
ser denominados de Electronic Charts Display and Information Systems (ECDIS). Os equipamentos denominados Warship ECDIS (WECDIS) são ECDIS
preparados para trabalhar em ambiente de guerra
com as seguintes peculiaridades:
• Capacidade de leitura de cartas vetoriais com
formatos diferentes do S57 – padrões utilizados
pela Organização do Tratado do Atlântico Norte
(OTAN) como o DIGEST1, VPF2 e DNC3 ;
DIGEST – Digital Geografic Information Exchange Standard
(STANAG 7074) visando a troca de dados digitais entre
produtores e utilizadores.
2
VPF – Vector Product Format.
3
DNC – Digital Nautical Chart – cartas oficiais no formato vetorial
produzidas pelo US National Imaging and Mapping Agency.
1
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
• Capacidade de ler e apresentar AML – informação adicional essencial para condução da guerra naval. Ex.: posição de minas, lanes de trânsito
de submarinos, etc;
• Possibilidade de incorporar interface com o
sistema de combate – transferência da informação operacional do sistema de combate para o
WECDIS.
Atualmente na Marinha do Brasil (MB), alguns
navios dispõem de ECDIS. Entretanto, as informações providas pelo banco de dados das cartas
eletrônicas vetoriais são utilizadas exclusivamente
para a navegação, não permitindo a interface com
o sistema de combate de modo a aperfeiçoar a
compilação do quadro tático.
A proposta deste estudo é apresentar a contribuição que as informações do banco de dados
das cartas eletrônicas vetoriais, empregadas com
o conceito de fusão de dados, podem oferecer
para o aprimoramento da compilação do quadro
tático e visualização do cenário para o decisor,
de modo a elevar a consciência situacional. Esse
aprimoramento facilita e direciona o processo
de tomada de decisão dentro do ciclo Observar,
Orientar, Decidir e Agir (OODA), sendo ponto
decisivo para que o ciclo de Comando e Controle
(C2) seja eficiente e eficaz.
2. METODOLOGIA
2.1. Consciência Situacional
Consciência situacional é a percepção dos fatores,
das relações entre entidades, das condicionantes
e da utilidade das informações coletadas que afetam a execução da tarefa durante um determinado período de tempo. Esta percepção permite ou
proporciona ao decisor estar ciente do que se passa ao seu redor (conhecimento sobre o ambiente,
o oponente e as suas próprias forças) e assim ter
condições de focar o pensamento à frente da situação percebida, apoiado nas lições do passado, na
experiência, no treinamento e na assessoria, ado17
Cleber Almeida de Oliveira / Marcus Vinícius da Silva Roberto / Rodrigo Alves Natalizi / André Kouzmine
tando a decisão a ser executada, coerente com os
objetivos da sua missão. Resumindo, consciência
situacional é o domínio das informações que influenciam no teatro de operações.
A Figura 1 apresenta um modelo dinâmico proposto por Miller e Shattuck (2006). Este modelo
descreve o processo cognitivo envolvido na construção da consciência situacional, considerando
os papéis da tecnologia, dos seres humanos e da
interação entre eles no processo pelo qual um
operador obtém as informações necessárias para
avaliar uma situação e realizar uma decisão.
O modelo contém uma série de seis elementos
ovais de variados tamanhos e três lentes (Figura
1). Os três elementos ovais no lado esquerdo do
modelo (1, 2 e 3) representam o lado tecnológico
do sistema, enquanto os três elementos ovais da
direita (4, 5 e 6) representam os processos cognitivos e perceptuais humanos. O elemento oval 1
representa o cenário real contendo os dados das
forças inimigas, amigas e neutras, além das informações da região e do clima. O elemento oval 2
é um subconjunto do cenário real que representa
apenas os contatos detectados e as informações
disponibilizadas pelo sistema do sensor. O elemento oval 3 representa o subconjunto de informações que são disponibilizadas na tela do operador. Esse elemento pode variar dependendo
da configuração realizada pelo operador, como
descentralização da tela, escala, inclusão de anéis
de distância etc. Os elementos ovais 4, 5 e 6 no
lado direito do modelo representam a percepção
das informações disponibilizadas, a compreensão
da situação corrente e a projeção individual do
evento corrente para o futuro, respectivamente.
As lentes A, B e C representam a influência da situação local, dos aspectos doutrinários e aspectos
cognitivos (experiência, treinamento) dos operadores, respectivamente.
A Figura 2 apresenta um modelo dinâmico proposto por Oliveira (2009), que extrapola o modelo de Miller e Shattuck (2006), para descrever o
processo cognitivo envolvido na construção da
consciência situacional considerando múltiplos
FIGURA 1
Modelo Dinâmico para a Construção da Consciência Situacional.
Fonte: MILLER e SHATTUCK (2006).
18
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Processos Decisórios
FIGURA 2
Modelo para a Consciência Situacional do Decisor.
Fonte: Oliveira, 2009.
sensores com seus respectivos operadores e da
interação entre eles no processo pelo qual um decisor obtém as informações necessárias para avaliar uma situação e realizar uma decisão apoiada
em sua experiência, treinamento e conhecimento.
Esta extrapolação ilustra a necessidade de fusão
dos dados para a obtenção de uma visualização
integrada e otimizada do cenário para o decisor
que, a partir daí, projetaria o cenário de acordo
com a sua capacidade perceptiva e cognitiva.
As informações das cartas eletrônicas vetoriais
participariam do processo de fusão aprimorando
o processo de visualização integrada do decisor.
2.2. Cartas eletrônicas
As cartas eletrônicas são produzidas em dois
formatos: raster e vetorial. Conforme Monteiro (2001), a carta no formato raster representa a
imagem georreferenciada da carta de papel e, consequentemente, possui uma simbologia familiar
aos navegantes. As cartas em formato vetorial são
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
constituídas por um conjunto de pontos, linhas
ou polígonos, especificados pelas suas coordenadas, e aos quais correspondem a determinados
atributos. A palavra vetorial deve ser entendida
como a representação de conjunto de pares de
coordenadas, denominados vetores, aos quais se
podem associar inúmeros atributos. Essas cartas
possuem grande flexibilidade na apresentação da
imagem, pois permitem selecionar apenas determinados tipos de informação, tornando a imagem
mais limpa e evitando, assim, excesso de informação. A possibilidade de associação de diversos
atributos a cada vetor permite aos sistemas de
leitura de cartas neste formato adicionar alarmes
e avisos que serão acionados em circunstâncias
definidas pelo operador como, por exemplo, um
alarme sempre que a profundidade, que é um dos
atributos associados a cada vetor, for inferior a
um dado valor. Contudo, o processo de produção
das cartas no formato vetorial é bem mais demorado do que aquele empregado para produzir as
cartas no formato raster.
19
Cleber Almeida de Oliveira / Marcus Vinícius da Silva Roberto / Rodrigo Alves Natalizi / André Kouzmine
Apenas as cartas vetoriais que estejam em conformidade com a norma S-57 ou S-100 podem
tomar a designação de cartas eletrônicas de navegação.
De acordo com Ward (2008), em 1992, a norma
S-57 foi adotada formalmente pela Organização
Hidrográfica Internacional (OHI) como o padrão de transferência de dados digitais entre bases hidrográficas oficiais e para a distribuição aos
diversos usuários. Entretanto, esta norma não foi
amplamente aceita no domínio de Sistema de Informações Geográficas (SIG), pois apresentava
algumas limitações e estava sendo utilizada exclusivamente para a codificação de cartas eletrônicas
de navegação para uso em ECDIS.
A norma S-100 foi validada em janeiro de 2010.
Esta norma suporta uma grande variedade de
fontes de dados digitais relacionados a hidrografia, incluindo imagem, 3D, dados variando no
tempo (x, y, z e tempo) etc.
A Figura 3 ilustra a linha do tempo com a validade
das normas estabelecidas pela OHI. Observa-se
que desde janeiro de 2010 a norma S-57 passou a
ser um padrão superado, apesar de ainda válido,
coexistindo com o novo padrão S-100.
As principais vantagens do emprego de cartas
eletrônicas vetoriais de navegação são a apresentação consolidada das informações, a capacidade
de adequação a todos os níveis de decisão, o georreferenciamento das informações e a agilidade
na construção da consciência situacional com a
incorporação da tecnologia de fusão de dados.
2.3. Processo de Fusão de Dados
A Figura 4, adaptada de Luo e Kay (1989), apresenta genericamente um sistema de fusão e integração de dados considerando o estabelecimento
de uma hierarquia entre os sensores ou fontes de
informação. As linhas tracejadas representam as
influências do sistema em cada um dos nós, onde
são realizados os processos de fusão.
Na situação ilustrada, os sensores ou fontes de
informação foram ordenados de A a N em função do erro de predição de cada sensor. Portanto,
os rastros dos contatos observados pelo sensor
ou fonte A prevalecem aos rastros provenientes
do sensor ou fonte B. Os rastros da resultante
F(AB) do processo de associação de A com B
prevalecem aos rastros provenientes do sensor
ou fonte C e, assim, sucessivamente. No final, a
resultante F(ABC...N) apresenta a estimação da
FIGURA 3
Padrões de Cartas Eletrônicas.
20
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Processos Decisórios
FIGURA 4
Representação Genérica de um Sistema de Fusão e Integração de Dados.
atualizações. Como a velocidade das plataformas marítimas são baixas (valor modal de 9 nós),
pode-se afirmar que se for utilizada uma taxa de
atualização de 1 minuto, praticamente não haverá
mudanças na posição das unidades móveis. Esse
procedimento permite realizar uma comparação
direta entre os dados de cada sensor para o processo de gating e de associação no espaço.
O bloco de gating visa a eliminar a comparação
par a par de observações inapropriadas, criando
uma janela em torno das variáveis de posição do
objeto a ser comparado. A resultante do teste de
gating classifica um acompanhamento de um sensor em uma de duas categorias, Blackman (1986):
a) Candidato a se associar a um objeto já acompanhado ou b) Observação inicial de um novo
objeto.
Fonte: Adaptado de Luo e Kay (1989).
posição e da classificação de todos os objetos
acompanhados do ambiente monitorado. Considera-se, nesse modelo, que uma das fontes de
informação seja as informações provenientes das
cartas vetoriais.
O sistema de fusão é formado pelos processos de
registro, de alinhamento dos dados, de gating para
a associação e de estimação do vetor de estado.
O registro, ou banco de dados associado, permite
que o sistema guarde a informação do contato
previamente adquirido por determinado sensor,
possibilitando que o processo de decisão utilize
tal informação.
O processo de alinhamento dos dados se torna
necessário a fim de que as informações de cada
sensor sejam traduzidas e convertidas por meio
dos respectivos protocolos para métricas comuns
e alinhadas de acordo com a definição da janela de tempo dos dados a serem considerados. A
definição da janela de tempo aplicada ao banco de dados de acompanhamentos depende da
taxa de atualização dos dados dos sensores e da
mudança relativa da posição do contato entre as
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Na literatura, Blackman (1986), Bar-Shalom e
Blair (2000) e Brookner (1998) descrevem diversas técnicas de gating (circulares, retangulares,
eliptícas etc). Neste estudo foi utilizada a técnica
mais simples, que consiste na criação de uma janela circular em torno das variáveis de posição
reportadas do objeto a ser comparado. Assim,
utilizando a descrição dos sensores da Figura 4, é
possível definir uma matriz global que represente
os acompanhamentos do sensor B que estejam
dentro da janela de cada acompanhamento do
sensor A. O valor 1 nesta matriz indica que há um
objeto físico de B candidato a associar-se com o
objeto observado pelo sensor A. Esta janela é definida a partir da seguinte relação:
(1)
onde, VAi e VBj representam as dimensões de posição das observações Ai e Bj, respectivamente. O
Filtro representa uma constante pré-determinada, definida geralmente a partir do desvio padrão
residual do erro de predição de cada sensor.
A associação consiste em aplicar o algoritmo responsável por verificar se os dados de acompanhamento de um contato obtidos por um sensor
21
Cleber Almeida de Oliveira / Marcus Vinícius da Silva Roberto / Rodrigo Alves Natalizi / André Kouzmine
são compatíveis com as observações obtidas por
outros sensores. Esta associação é obtida definindo medidas de similaridade que quantificam a
proximidade dos contatos obtidos por diferentes
sensores, levando em consideração a resolução de
cada sensor.
deste procedimento de estimação é de que nenhuma composição de dados é realizada, reduzindo, assim, o tempo de processamento.
Neste estudo, o algoritmo proposto por Oliveira
(2009) foi empregado para a associação dos dados provenientes do RADAR com os dados provenientes do equipamento Automatic Identification
System (AIS). Emprega-se o conceito de decisão
nebulosa no cálculo da pertinência de associação
de contatos obtidos por múltiplos sensores a um
único objeto físico.
No cenário marítimo, o processo de fusão de dados visa a transformar os acompanhamentos de
um mesmo objeto físico observado e reportado
para o sistema por diferentes dispositivos de entrada (RADAR e outros sensores) em um único
acompanhamento resultante. Além disso, possibilita a realização de inferências e a obtenção de
mais informações sobre o objeto em comparação
à análise dos acompanhamentos reportados pelos
sensores isoladamente.
Depois de efetuada a associação paramétrica dos
contatos é observada a necessidade de fusão dos
atributos dos contatos. As técnicas de estimação
irão determinar o vetor de estado que melhor defina a posição e a identidade do contato observado.
A estimação do vetor de estado pode ser dividida
em dois segmentos: vetor de estado de posição
e vetor de estado de classificação e estimação da
identidade do contato.
A equação 2 foi apresentada por Byun (et al.,
2004) para a fusão de rastros de dois sensores, assumindo que os erros dos estimadores de estado
de cada sensor são independentes.
(2)
onde, e
representam a estimação de estado
a partir dos sensores i e j, respectivamente.
e
são suas matrizes de covariância.
Neste trabalho, considera-se que os erros de predição de cada sensor são conhecidos (fase de alinhamento dos sensores de bordo).
Nesse contexto, as observações do sensor de
menor erro de predição serão escolhidas para a
estimação do vetor final de posição. A vantagem
22
3. RESULTADOS
Utilizando a metodologia descrita é possível implementar o processo de combinação de dados,
provenientes de cartas eletrônicas e outros dispositivos, de modo a aprimorar a construção da
consciência situacional.
Na Figura 5, experimento controlado, observa-se
o processo de associação entre os dados originários do radar de navegação (fonte A) com a camada de informação vetorial das cartas eletrônicas
(fonte B). Os cinco objetos detectados pelo RADAR de navegação possuem classificação desconhecida e constituem a camada de informação
básica do sistema. Na situação ilustrada, a camada
vetorial representa a união da camada adicional
militar com as informações do posicionamento
das plataformas e as informações de batimetria
do banco de dados da carta eletrônica.
A Figura 6 ilustra o algoritmo de associação empregado nesta etapa.
A Figura 7 ilustra a resultante F(AB) do processo de associação dos dados do sensor A com as
informações da camada vetorial. Observa-se que
nesta integração de dados foi possível reduzir o
número de contatos desconhecidos de cinco (5)
para dois (2) contatos.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Processos Decisórios
FIGURA 5
Camadas das fontes de informação A e B.
FIGURA 6
Algoritmo de Associação com a Camada Vetorial.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
23
Cleber Almeida de Oliveira / Marcus Vinícius da Silva Roberto / Rodrigo Alves Natalizi / André Kouzmine
FIGURA 7
Fusão e Integração de Dados – F(AB).
A partir da camada integrada F(AB) é possível
realizar o processo de fusão com outra fonte ou
sensor (fonte C). Na situação ilustrada na Figura
8, ocorre o processo de fusão da camada vetorial integrada com a camada de informação proveniente do sistema de identificação automática
(Automatic Identification System - AIS).
opera na faixa VHF (Very High Frequency) com
protocolo aberto e sua finalidade é disseminar
informações do navio, como posição GPS (Global Positioning System), rumo, velocidade, nome da
embarcação, indicativo internacional etc. automaticamente sem a interferência da tripulação e com
uma taxa de envio dos dados em torno de 2s.
O AIS é um sistema especificado pela International
Maritime Organization (IMO), de emprego obrigatório por todos os navios com arqueação bruta
acima de 300 toneladas envolvidos em viagens
internacionais, navios de passageiros e navios de
carga com mais de 500 toneladas. Este sistema
A Figura 9 ilustra a resultante final do processo
de fusão. Pode-se observar uma redução significativa dos contatos com classificação desconhecida (5 para 1) aprimorando a consciência situacional e facilitando a decisão relativa à definição da
prioridade de esclarecimento dos contatos.
FIGURA 8
Camada Integrada F(AB) e camada AIS (fonte C).
24
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
Processos Decisórios
FIGURA 9
Camada Integrada F(ABC).
4. CONCLUSÃO
O emprego de cartas eletrônicas vetoriais aliado à
incorporação da tecnologia de fusão de dados em
sistemas de compilação do quadro tático/operacional ou sistemas de Comando e Controle traduzem em benefícios operacionais significativos,
pois permitem uma visualização integrada e otimizada do cenário tático/operacional. Esta visualização facilita a projeção do cenário de acordo
com a capacidade perceptiva e cognitiva do decisor, aprimorando a construção da consciência
situacional e facilitando o processo decisório nos
navios e nos Centros de Comando.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 16-25
25
Processos Decisórios
Avaliação dos Portos Brasileiros por meio do
Índice de Malmquist
Capitão-de-Corveta Renato Leite Fernandes
Mestre em Engenharia de Produção pela Universidade Federal do
Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Este artigo avalia, usando o índice de Malmquist, a
produtividade dos portos brasileiros ao longo dos
quatro anos que antecederam a crise econômica global
deflagrada no final do ano de 2008. Tendo em vista o
elevado nível de globalização das atividades econômicas
e, por conseguinte, o aumento do volume do comércio
mundial, a pesquisa apresentada neste artigo busca
identificar os portos que apresentaram evolução e
mudanças na fronteira de eficiência, demonstrando que
durante aqueles quatro anos a maior parte dos portos
brasileiros tornaram-se mais eficientes e experimentaram
melhorias tecnológicas.
Palavras-chave
Produtividade. Portos Brasileiros. Índice de Malmquist.
Evaluation of Brazilian Seaport by Using
Malmquist Index
Abstract
This article evaluates the productivity of Brazilian seaports
throughout the four years prior to the global economic
crisis triggered by the end of 2008 using the Malmquist
index. Due to the high level of globalization of economic
activities, and therefore the growth of the volume of world
trade, the research presented in this article seeks to
identify the seaports which present developments and
changes in the efficiency frontier, indicating that during
the period most of the Brazilian seaports become more
efficient and experienced technological improvements.
Keywords
Productivity. Brazilian Seaports. Malmquist Index.
26
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos 20 anos, o setor portuário tem se desenvolvido bastante e despertado o interesse da
comunidade acadêmica em relação à medição da
eficiência das atividades produtivas dos portos.
A Análise Envoltória de Dados (DEA – Data Envelopment Analysis) e a Análise da Fronteira Estocástica (SFA – Stochastic Frontier Analysis) são métodos utilizados para estimar ou para identificar
a fronteira de desempenho eficiente da melhor
prática, em indústrias ou em uma amostra de empresas, e que vem sendo cada vez mais utilizados
como uma forma de abordagem holística, buscando refletir melhor a realidade.
Esses métodos possuem características que as
tornam indicadas para a medição de desempenho
de portos e de terminais que movimentam carga, utilizando fronteiras por benchmark, chamadas
frontier benchmarking.
Além de permitir identificar uma fronteira de eficiência, tais métodos fornecem um escore para
cada empresa analisada em relação à fronteira e
possibilitam a avaliação da eficiência relativa e
comparativa de cada uma delas em relação à fronteira.
A Análise Envoltória de Dados, desenvolvida por
Charnes (1978) possui uma vantagem importante
sobre os demais métodos: não requer a especificação de uma função de produção ou de custo,
permitindo calcular a eficiência técnica, analisando as unidades em conjunto, desde que usem as
mesmas entradas (inputs) e que produzam as mesmas saídas (outputs), com tecnologias similares de
produção.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
Processos Decisórios
De acordo com a Secretaria Especial de Portos
da Presidência da República – SEP/PR (2009)
–, o transporte marítimo de carga movimenta
anualmente cerca de 700 milhões de toneladas
de mercadorias, respondendo por mais de 90%
das exportações brasileiras. Isso significa que o
setor portuário tem uma grande importância para
a economia do país e, portanto, representa um
relevante elemento do Poder Marítimo nacional.
o índice de Malmquist empregando técnicas de
programação linear.
Assim, este artigo inova na análise dos portos
brasileiros em relação à eficiência técnica, adotando o índice de Malmquist, que é um modelo
DEA.
Ressalta-se que o índice avalia a mudança na produtividade de uma DMU (Decision Making Units)
entre dois períodos de tempo: t (inicial, no caso
2005) e t+1 (final, no caso 2008). O índice pode
ser decomposto em duas componentes: a primeira é chamada de catch up e representa a evolução
da eficiência, ou seja, a mudança na eficiência técnica entre dois períodos de tempo; a segunda é
a frontier shift, que representa o deslocamento da
fronteira de eficiência, ou seja, a mudança tecnológica entre dois períodos de tempo.
O objetivo do uso desse modelo é avaliar a variação de eficiência portos brasileiros no período de
2005 a 2008, ou seja, no período que antecedeu a
crise econômica mundial iniciada em 2008, a fim
de identificar os portos que apresentaram melhor
desempenho no período.
O presente artigo está estruturado da seguinte
forma: a Seção 2 apresenta a metodologia empregada na pesquisa, bem como informações sobre os portos brasileiros. A Seção 3 apresenta os
dados e os resultados obtidos com a utilização
da metodologia. Por fim, a Seção 4 apresenta as
conclusões e as considerações finais.
2. METODOLOGIA
2.1. Índice de Malmquist
O primeiro estudo a utilizar a metodologia DEA
na avaliação de desempenho de portos foi apresentado por Roll e Hayuth (1993), e nos últimos
15 anos vários outros estudos foram produzidos
utilizando DEA para avaliar o desempenho portuário.
O conceito de índice de produtividade de Malmquist, de acordo com Sollero (2007), foi introduzido por Malmquist em 1953, sendo que Färe
(1992) forneceu a fundamentação para construir
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
Em relação ao setor portuário, Barros (2003) avalia de forma pioneira a evolução da produtividade dos portos portugueses utilizando o índice de
Malmquist. Para maiores informações, o trabalho
de Fernandes (2010) traz uma pesquisa ampliada
da literatura referente ao assunto.
Mantendo os outputs constantes, a recíproca da
função de distância de Shephard, sob a ótica dos
inputs e assumindo retornos constantes de escala,
serve como uma medida de eficiência de Farrell,
fornecendo uma medida de eficiência técnica.
representa o
Considerando que
vetor de inputs N e que
representa o vetor de outputs M, ambos não negativos, observados em um período t, o conjunto de inputs
em um período t representa a combinação viável
de inputs que podem produzir outputs e é representado como:
(1)
A isoquântica para o conjunto de inputs é definida como:
(2)
A função distância de Shephard é definida como:
(3)
27
Renato Leite Fernandes
As DMUs eficientes usam inputs que fazem parte
da
e tem
.
.
As DMUs ineficientes apresentam
Gráfico 1
Variação da Fronteira de Eficiência entre
dois períodos.
O índice de eficiência de Malmquist (MALM)
toma a seguinte forma:
(4)
Reorganizando (4) tem-se:
(5)
Onde a componente catch up (mudança de eficiência) é representada por
e a componente frontier shift (progresso tecnológico) é representada por
.
A seguinte relação é válida:
MALM = EFFCH x TECH.
Valores de MALM, EFFCH e TECH menores
do que 1 indicam crescimento da produtividade,
ganho na eficiência e progresso tecnológico. Por
outro lado, valores de MALM, EFFCH e TECH
maiores do que 1 indicam decréscimo da produtividade, perda na eficiência e regressão tecnológica.
O Gráfico 1 ilustra a construção da função de
distância e os componentes do índice de produtividade de Malmquist sob a ótica dos inputs.
Assume-se que a variação do tempo ocorre do
1º período (t) até o 2º período (t+1), sendo que o
conjunto de possibilidades de inputs no 1º período inclui todos os pontos a direita da isoquântica
L1(y) e o conjunto de possibilidades de inputs no
28
Fonte: Barros e Weber (2009)
2º período inclui todos os pontos a direita da isoquântica L2(y).
A DMU para a qual é calculada a variação da eficiência e de produtividade emprega o vetor de
input A no 1º período e o vetor de input E no 2º
período.
Em ambos os períodos, a DMU produz o mesmo nível de produção (y), contudo utiliza uma
quantidade excessiva de inputs e é tecnicamente
ineficiente.
A função distância no 1º período é dada por
, e por
no 2º
período. A distância entre as duas isoquânticas
delimitadas pelos períodos de tempo é calculada
e
como
.
Sendo assim, o índice de Malmquist é calculado
, a compo-
como
nente catch up (mudança na eficiência técnica) é calculada como
e a componente
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
Processos Decisórios
frontier shift (mudança tecnológica) é calculada
como
.
2.2. Portos Brasileiros
Embora o sistema portuário tenha passado por
períodos de estatização e privatização das suas
atividades, de acordo com Fernandes (2010), desde o período colonial os portos brasileiro tem representado um elemento de elevada importância
para o desenvolvimento do país.
Em 1993, um novo modelo de privatização surgiu
com a publicação da Lei nº 8.630, chamada Lei de
Modernização dos Portos, que estabeleceu uma
série de mudanças visando dinamizar as atividades portuárias. Em 2001, a Lei nº 10.233 criou
a ANTAQ, uma agência federal responsável pela
regulação, controle tarifário, estudo e desenvolvimento do transporte hidroviário nacional. Em
2007, a Medida Provisória nº 369/2007 criou a
Secretaria Especial de Portos da Presidência da
República (SEP/PR) com o objetivo de renovar
o modelo de gestão do setor portuário brasileiro,
no sentido de elevar o patamar de competitividade dos portos nacionais em relação aos portos
mais eficientes do mundo.
De acordo com a SEP/PR, o sistema portuário
brasileiro é composto por 37 portos públicos, entre marítimos e fluviais. Existem ainda 42 terminais de uso privativo e três complexos portuários
que operam sob concessão à iniciativa privada.
O presente estudo examinou apenas os principais
portos públicos brasileiros: Belém, Cabedelo,
Fortaleza, Ilhéus, Imbituba, Itaguaí, Itajaí, Itaqui,
Maceió, Manaus, Natal, Paranaguá, Recife, Rio de
Janeiro e Rio Grande, entre outros.
A redução dos custos com o transporte dos contêineres está na base da atratividade de carga e,
segundo a CMA CGM, uma das maiores transportadoras do mundo, o custo global para a exportação de um contêiner no Brasil gira em torno
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
de R$ 4.000,00, sendo que somente o custo operacional de embarque e de descarga de um contêiner é de US$ 225,00, ou seja, aproximadamente
três vezes maior do que o valor observado nos
portos asiáticos (CARLINI, 2008).
3. RESULTADOS
3.1. Dados dos Portos
Para esta pesquisa, foi considerada uma amostra
contendo os 23 principais portos públicos do Brasil, no período compreendido entre o ano de 2005
e o de 2008. As informações contidas neste trabalho foram colhidas junto às administrações portuárias por meio de contato telefônico, e-mail, bem
como por meio de pesquisa nos sites dos terminais,
na Internet. Outra parcela de informações foi extraída do livro Portos e Terminais Marítimos do
Brasil e do Anuário Estatístico no site da ANTAQ.
As variáveis são apresentadas no Quadro 1, a seguir, bem como seus valores referentes ao ano de
2005 e ao de 2008. Os outputs utilizados são: quantidade de granéis sólidos, quantidade de granéis
líquidos e quantidade de carga geral movimentada – em toneladas –. Os inputs são: comprimento
do cais, área portuária e número de trabalhadores
portuários avulsos (TPAs).
3.2. Avaliação dos Resultados obtidos
Os resultados decorrentes da aplicação do modelo matemático são apresentados no Quadro 2,
a seguir, os valores para o índice de Malmquist e
para suas componentes catch up e frontier shift.
Pode-se observar que os escores referentes ao índice de Malmquist – variação da produtividade –
são menores do que 1 (MALM<1) para 16 portos
da amostra, explicitando, assim, que a maior parte
dos portos experimentou um aumento da produtividade no período considerado. A pontuação média é de 0,82. Os portos que apresentaram redução
na produtividade são: Fortaleza, Imbituba, Maceió,
Manaus, Natal, Recife e São Francisco do Sul.
29
Renato Leite Fernandes
Quadro 1
Variáveis consideradas no Modelo Matemático.
A componente catch up do índice de Malmquist
contempla a variação de eficiência técnica e, segundo Barros e Weber (2009), pode traduzir a
difusão de melhores práticas na gestão da atividade portuária, sendo atribuída ao planejamento de
investimentos, experiência técnica e organização
nos portos.
30
No período dos anos 2005 e 2008, pode-se observar a partir dos escores gerados que a variação da eficiência é menor que um (EFFCH<1)
para 10 portos da amostra, significando que
houve melhorias na eficiência técnica durante
esse período.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
Processos Decisórios
Para oito portos, houve retrocesso em relação
à variação da eficiência (EFFCH>1), sendo que
para cinco portos praticamente não houve variação da eficiência técnica (EFFCH=1).
Quadro 2
Resultados obtidos pela modelagem para o período
dos anos 2005-2008.
A componente frontier shift diz respeito à mudança
tecnológica e traduz o nível de inovação aplicado aos portos, isto é, diz respeito à adoção de
novas tecnologias baseadas nas melhores práticas
(BARROS e WEBER, 2009).
Observa-se que o índice é inferior a 1 (TECH<1)
para quase todos os portos brasileiros, indicando
que a inovação aumentou de forma relevante durante o período, fruto de investimentos significativos em novas tecnologias, bem como em novas
metodologias, novos procedimentos e em novas
técnicas.
A segregação do índice Malmquist em suas duas
componentes permite identificar e classificar os
portos brasileiros em relação às mudanças ocorridas durante o período dos anos 2005 e 2008.
Assim, de acordo com o demonstrado no Quadro
2, é possível observar as seguintes combinações:
• MALM <1 / EFFCH <1 / TECH <1 - Fazem parte desse grupo os portos que obtiveram
os melhores resultados, no período pesquisado,
em termos das mudanças ocorridas, visto que
a melhoria da produtividade global (MALM) é
função direta da elevação do nível de eficiência
técnica (EFFCH) e do aspecto tecnológico das
atividades dos portos (TECH). Os portos desse
grupo são: Cabedelo, Ilheus, Itaguaí, Paranaguá,
Rio de Janeiro, Salvador, Santos, Suape, Vila do
Conde e Vitória.
• MALM <1 / EFFCH ≥1 / TECH <1 - Nesse
grupo, embora os resultados apresentem a melhoria da produtividade e o melhor posicionamento dos portos em relação à fronteira tecnológica de eficiência, o nível de eficiência técnica
permaneceu inalterado para os portos de Aratu,
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
Fonte: Resultados da Pesquisa
Itajaí, Itaqui e São Sebastião, sendo que para os
portos de Belém e Rio Grande houve redução do
nível de eficiência técnica.
• MALM >1 / EFFCH >1 / TECH <1 - Fazem parte desse grupo os portos de Fortaleza,
Imbituba, Maceió, Natal, Recife e São Francisco
do Sul. Durante o período pesquisado, esses portos experimentaram uma queda de produtividade,
sendo que o nível de eficiência técnica também
regrediu, mesmo assim houve uma melhora em
relação às mudanças tecnológicas.
31
Renato Leite Fernandes
• MALM >1 / EFFCH ≥1 / TECH >1 - Somente Manaus se enquadrou neste grupo, sendo
que esse porto apresentou redução de produtividade e regressão em relação às mudanças tecnológicas, permanecendo com o mesmo nível de
eficiência técnica.
A partir das combinações possíveis entre MALM
e EFFCH e TECH é possível verificar que a principal causa do crescimento da produtividade dos
portos brasileiros se deve ao progresso tecnológico que esses portos experimentaram durante o
período pesquisado.
4. CONCLUSÕES
Neste estudo, a produtividade dos 23 principais
portos do Brasil foi estimada com a utilização do
índice de Malmquist, para o período do ano de
2005 ao de 2008.
A variação da produtividade foi composta pelas
suas duas componentes: catch up, representando a
evolução da eficiência técnica no período, e frontier shift, representando o deslocamento da fronteira de eficiência, isto é, sinalizando a mudança
tecnológica entre os anos 2005 e 2008.
Durante o período verificado, os portos brasileiros experimentaram um aumento da produtividade global, pois os resultados da aplicação do
índice de Malmquist, no geral, mostraram que os
portos tornaram-se mais eficientes e que experimentaram um relevante progresso tecnológico.
Sendo assim, os portos avaliados que obtiveram
os melhores resultados em relação ao aumento da
produtividade foram: Cabedelo, Ilheus, Itaguaí,
Paranaguá, Rio de Janeiro, Salvador, Santos, Suape, Vila do Conde e Vitória. Ressalta-se que isso
não significa, necessariamente, que esses portos
se apresentam tecnicamente eficientes de acordo com o modelo matemático, mas, tão somen32
te, que os portos aumentaram sua produtividade
global. Destaque especial deve ser dado aos portos de Ilheus e Vila do Conde que apresentaram o
maior nível de aumento de produtividade.
Apesar da maioria dos portos brasileiros ter apresentado bons resultados, foi verificado que alguns
portos precisam aumentar a eficiência e a produtividade. Portanto, faz-se necessária a adoção de
políticas públicas e de medidas gerenciais, por
parte do governo e dos operadores portuários,
para implementar as mudanças que possam gerar
o aumento da produtividade.
REFERÊNCIAS
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Transportes Aquaviários - ANTAQ, 2010. Disponível em:
<http://www.antaq.gov.br/Portal/estatisticasanuario.asp>.
Acesso em: 01 ago. 2009.
BARROS, C. P. The Measurement of Efficiency of Portuguese Seaport Authorities with DEA. International Journal of
Transport Economics, v.30, 335-354, 2003.
BARROS, C. P.; WEBER W. L. Productivity growth and biased technological change in UK airports. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation, v.45 n.4, pp.642-653, 2009.
BERGER, A.; BERGER, F. R. Portos e Terminais Marítimos
do Brasil. Joinville, SC: Editora Bela Catarina, 2009.
CARLINI, N. CMA CGM - Relatório para a Comissão de
Serviços e Infraestrutura do Senado Federal. Brasília, 2008.
Disponível em: <http://www.senado.gov.br/sf/comissoes/ci/
ap/AP_20081204_NelsonCarlini.pdf> . Acesso em: 10 jun. 2009.
CHARNES, A.; COOPER, W. W.; RHODES, E. Measuring the
efficiency of decision making units. European Journal of Operational Research, n.2, pp.429–444, 1978.
FARE, R.; S. GROSSKOP; B. LINDGREN; P. ROSS.Productivity changes in Swedish pharmacies, 1980 – 1989: a
non parametric approach. Journal of Productivity Analysis, n.3,
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FERNANDES, R. L. Avaliação dos terminais que movimentam Contêineres no Brasil através da Análise Envoltória de
Dados. Originalmente apresentada como dissertação de mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, 2010.
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ROLL, Y.; HAYUTH, Y. Port performance comparison applying data envelopment analysis (DEA). Maritime Policy and
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SEP/PR – SECRETARIA ESPECIAL DE PORTOS DA PRESIDÊNCIA DA REPÚBLICA. Sistema Portuário Nacional. Brasília, 2009. Disponível em <http://www.portosdobrasil.gov.br/
sistema-portuario-nacional>. Acesso em: 31 out. 2009.
SOLLERO, M. K. V. Avaliação de Empresas de Distribuição
de Energia Elétrica através da Análise Envoltória de Dados
com Integração das perspectivas do regulamento e das
Concessionárias. Originalmente apresentada como tese de
doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2007.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 26-33
33
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Desenvolvimento de um Sistema de Patrulhamento
Tático Multi-Operacional Utilizando Veículos Aéreos
Não-Tripulados
Rodrigo Kuntz Rangel
Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto
Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP – Brasil.
BRVANT – Soluções Tecnológicas – Mogi das Cruzes, SP – Brasil.
E-mail: [email protected]
Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira
Doutor em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo Instituto
Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP – Brasil.
Centro de Apoio a Sistemas Operativos – Niterói, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Karl Heinz Kienitz
Doutor em Engenharia Elétrica pelo Instituto Federal de Tecnologia
de Zurique – Zurique, ZH – Suíça.
Professor do Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos
Campos, SP – Brasil.
E-mail: [email protected]
Brigadeiro Engenheiro Mauricio Pazini Brandão
Doutor em Engenharia Aeronáutica e Astronáutica pela
Universidade de Stanford – Stanford, CA – Estados Unidos.
Professor do Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos
Campos, SP – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Neste artigo é apresentado o desenvolvimento de uma
plataforma aérea multi-operacional utilizando Veículos
Aéreos Não-Tripulados (VANT) para o emprego no
patrulhamento tático de embarcações marítimas. Por
meio de uma estação marítima portátil, contida na
embarcação, é possível pilotar o VANT remotamente,
capturar imagens de vídeo por intermédio de câmeras
embarcadas e determinar a respectiva posição geográfica
da região monitorada em tempo real. Basicamente,
a estação marítima é composta por um computador
dedicado, enlaces de vídeo e de dados para coletar as
informações do VANT, além de softwares específicos,
dentre outros dispositivos para suportar a aplicação.
A arquitetura modular do Sistema VANT permite a
adição de sensores complementares para a adequação
do sistema à respectiva missão. Nesta contribuição,
considera-se complementarmente a configuração do
Sistema VANT para a utilização de equipamentos que
permitam a identificação das embarcações por meio do
sistema Automatic Identification System (AIS).
34
Palavras-chave
Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT). Patrulhamento
Marítimo. Sistema de Identificação Automático (AIS).
Development of a Multipurpose Tactical
Surveillance System by using UAV
Abstract
This paper describes the development of a multipurpose
aerial platform using UAV for tactical surveillance of
maritime vessels. By means of a portable maritime station
on the vessel, UAV can be remotely operated. On board
cameras can capture video images and determine the
respective geographic location of the monitored area in
real-time. This maritime station is basically equipped
with a dedicated computer, video and data links to collect
information from the UAV, besides specific softwares,
among other devices for carrying out the activities. Due
to its modular architecture, other sensors can be added
to adequate the UAV system to a particular mission. As
a contribution to it, the UAV system can be completely
configured to use equipment which allows the identification
of vessels through the Automatic Identification System
(AIS).
Keywords
Unmanned Air Vehicle (UAV). Maritime Patrol. Automatic
Identification System (AIS).
1. INTRODUÇÃO
O Brasil é um país com dimensões continentais, o
maior da América do Sul e superado apenas pela
Rússia, pelo Canadá e pela República Popular da
China. Seu perímetro geográfico se estende por
23086 km, sendo que 15719 km do país fazem
fronteira com outros países da América do Sul e
que cerca de 7370 km são banhados pelo Oceano
Atlântico (IBGE, 2009).
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Assim, o patrulhamento da costa brasileira é de
especial importância, tanto do ponto de vista da
segurança da nação quanto do ponto de vista da
segurança das pessoas e das embarcações que
navegam pela costa do Brasil.
Neste contexto, a contribuição deste trabalho
é o desenvolvimento de uma ferramenta que
possibilite a um operador controlar o voo de um
VANT sobre determinada área marítima, capturar
as imagens georreferenciadas e informações
de embarcações, por meio do sistema AIS e,
em tempo real, enviá-las para a estação base de
comando, ou estação marítima portátil, para
posterior processamento e armazenagem.
LCD (Helmet Mounted Display) que, por sua vez,
possibilita a imersão total do piloto no sistema de
navegação / monitoramento.
A Figura 1 mostra protótipo do Sistema VANT.
FIGURA 1
Protótipo do Sistema VANT.
Este desenvolvimento considera como premissas
situações meteorológicas ideais para o voo
do VANT e abstém-se de discutir requisitos
fundamentais do sistema.
2. DESENVOLVIMENTO
2.1. Visão geral do projeto
A proposta deste trabalho é uma aplicação
customizada do projeto descrito por Rangel,
Kienitz e Brandão (2009), que consiste no
desenvolvimento de um Sistema VANT utilizando
equipamentos COTS (Commercial-Of-The-Shelf). A
plataforma básica de teste foi a aeronave VANT
BRV-01(Hornet H2) e a aeronave VANT BRV02 (Proton), equipadas com câmeras de vídeo,
equipamentos de telemetria e de controle. O
software de navegação, instalado no computador
da estação base de comando, permite a
visualização, em tempo real, das informações
de posição da aeronave e as imagens de vídeo
georreferenciadas capturadas pela câmera do
VANT.
Toda a interface visual entre o piloto e os
equipamentos da estação base de comando
pode ser representada na tela do computador
e/ou em um capacete equipado com visores de
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
Para as missões de esclarecimento no mar,
opcionalmente, a aeronave pode ser equipada com
o Automatic Identification System (AIS), que permite
monitorar a rota e identificar as embarcações
que estiverem dentro do alcance do rádio VHF
(Very High Frequency). Os dados capturados pelo
AIS são enviados pela telemetria do VANT, em
tempo real, e representados no display da estação
base de comando.
2.2. O sistema AIS
O AIS é um sistema de identificação automática
especificado pela International Maritime Organization
(IMO), de emprego obrigatório por todos
os navios com arqueação bruta acima de 300
toneladas envolvidos em viagens internacionais,
navios de passageiros e navios de carga com
mais de 500 toneladas. Esse sistema opera na
faixa da banda VHF com protocolo aberto e a
sua finalidade é disseminar automaticamente
informações do navio como posição GPS
(Global Positioning System), rumo, velocidade,
nome da embarcação, indicativo internacional
35
Rodrigo Kuntz Rangel / Cleber Almeida de Oliveira / Karl Heinz Kienitz / Mauricio Pazini Brandão
etc., automaticamente, sem a interferência da
tripulação, com uma taxa de envio dos dados em
torno de 2 s e tornando a navegação marítima
mais segura (IMO, 2009).
Entretanto, este sistema possui algumas
desvantagens e limitações, tais como: grande
dependência do sistema GPS, possibilidade de
transmissão de dados corrompidos ou incorretos
e possibilidade de uso das informações AIS para
pirataria marítima. Esta última desvantagem
justifica o desenvolvimento de um VANT
para realizar o esclarecimento marítimo,
principalmente em áreas de tráfego denso e
plataformas de petróleo.
2.3. Software de Navegação e Controle
O principal objetivo do software de navegação e
controle é fazer a integração entre os diversos
equipamentos responsáveis pelo funcionamento
do sistema do VANT. Além disso, mostrar de
forma visual ao piloto as informações de voo da
aeronave e a sua respectiva posição em relação à
missão planejada. Os equipamentos incluem um
hardware conectado ao computador, controlado
diretamente pelo software de navegação e um
arquivo de informações proveniente de software
executado paralelamente com o software da
navegação. O carregamento dos dados de missão
é feito por meio de um arquivo.
O software gerencia em tempo real a aquisição
dos dados de missão e a aquisição dos dados de
telemetria, realiza cálculos do posicionamento
da aeronave, cálculos de navegação e controle
(DORF e BISHOP, 2001), mostra os resultados
dos cálculos em forma gráfica, gerencia a aquisição
das imagens provenientes da aeronave, gerência a
comunicação entre os módulos de missão com o
módulo principal e, finalmente, monta a interface
do usuário.
Os módulos adicionais ao software de navegação
e controle representam os softwares específicos
da respectiva missão. Nesse caso, o módulo
adicional fica condicionado a interpretar o
catálogo de informações do AIS, a calcular a
posição das embarcações a partir da estação base
de comando e a montar uma interface gráfica
para a representação dos resultados da missão.
O software de navegação foi desenvolvido
utilizando a ferramenta de programação Visual
C++ 7. Basicamente, o software desenvolvido
possui a arquitetura mostrada na Figura 2, onde
sua concepção é baseada em módulos, ou seja,
cada funcionalidade adicional ao software principal
é tradada como um módulo separado.
FIGURA 2
Arquitetura básica do software.
è
è
Partindo das especificações mencionadas
acima, foi desenvolvido um diagrama macro de
relacionamento entre os módulos que compõem
o software de navegação. A Figura 3 ilustra o
diagrama de estados do software de navegação e
controle do sistema.
FIGURA 3
Diagrama de Estados do software de navegação e
controle.
Toda a navegação é gerenciada via GPS (TSUI,
2000) com o auxílio de giroscópios estabilizadores
(DORF e BISHOP, 2001) e a lógica interna do
software de navegação e controle.
36
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
2.4. Aeronave
São duas as opções de protótipos de VANT utilizados neste trabalho, conforme mostrado na
Figura 4, o VANT BRV-02 (Eletron) e o VANT
BRV-01 (Hornet H2). Os protótipos denominados BRV-01 e BRV-02 são aeronaves totalmente
portáteis, de fácil montagem e de fácil transporte, operadas por meio de um sistema de rádio
controle, cuja operação pode ser de forma manual ou automática, sendo esta por intermédio
de uma estação base de comando. Algumas funcionalidades automáticas e autônomas (DORF e
BISHOP, 2001) estão presentes nessas aeronaves,
como, por exemplo, a navegação automática por
waypoints e o retorno à estação base de comando
em caso de emergência.
Uma segunda unidade de câmera de vídeo pode
ser utilizada como equipamento adicional e, nesse
caso, a câmera de vídeo é utilizada como câmera
para aquisição de dados de missão. Esta, segunda
câmera, possui um sistema de estabilização
próprio e pode ser do tipo Infravermelho ou
termal.
FIGURA 4
VANTs utilizados como plataforma de testes, BRV-02
e BRV-01, respectivamente.
A Tabela 1 mostra as diferentes características
técnicas das aeronaves.
TABELA 1
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
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Rodrigo Kuntz Rangel / Cleber Almeida de Oliveira / Karl Heinz Kienitz / Mauricio Pazini Brandão
Características técnicas dos VANT utilizados
como plataforma de testes, BRV-02 e BRV-01
são, respectivamente:
1. Desempenho e envelope de operação – A
aeronave possui duas opções de motorização,
sendo a primeira composta por um motor à combustão e a segunda, por motorização elétrica.
A altitude típica de operação da aeronave varia
entre 20 a 5.000 pés acima da superfície com a
velocidade de cruzeiro de 100 km/h (motorização
a combustão) e 60 km/h (motorização elétrica).
Uma importante característica de voo é o
envelope operacional de velocidade, situado na
faixa entre 20 a 200 km/h. A aeronave pode
realizar sobrevoos lentos e tem resposta rápida
para altas velocidades. A escolha do tipo da
aeronave fica condicionada à finalidade da
missão. Por meio da geometria da aeronave e dos
sistemas de estabilização dedicados, obtém-se
a capacidade de auto-estabilização. Com isso, o
piloto pode dar maior atenção aos comandos de
navegação e de missão, em vez de se preocupar
com a controlabilidade da aeronave (STINTON,
2001).
A aeronave decola e pousa manualmente com
o auxílio de um operador em solo/embarcado
e a navegação dentro do raio de operação dos
equipamentos da estação base pode ser feita
de forma manual ou automática. Fora do raio
operacional dos equipamentos da estação base a
navegação e o controle da aeronave são realizados
de forma automática.
2.Eletrônica embarcada – Basicamente, a principal missão da aeronave é manter a rota pré-estabelecida por meio da leitura dos sensores
embarcados e consequentemente garantir a sua
respectiva posição para servir de relay de comunicação. Para isso, o piloto eletrônico (computador
de bordo) (BERGER, 2001) lê as informações
de rota, previamente programadas no cartão de
memória (CM) da aeronave, e as informações
38
provenientes dos sensores (GPS e IMU), a fim
de fazer, ou não, eventuais correções. Com isso,
fica garantido que a aeronave seguirá a rota pré-estabelecida automaticamente.
Enquanto a aeronave estiver dentro do raio
operacional da estação base de comando,
um enlace de dados feito por meio de um
rádio transmissor específico e de um segundo
transmissor de vídeo, nela contido, é utilizado
para enviar as informações de posicionamento
e dos sensores da aeronave para a estação base
de comando. Além disso, o transmissor cuida do
enlace de vídeo, que é utilizado para transmitir
o vídeo do voo em tempo real. Durante a fase
de transição, quando a aeronave estiver saindo
do limite operacional da estação base, o piloto
eletrônico ativa o modo de pilotagem automática
e com isso a aeronave passa a navegar de forma
autônoma. Sistemas de estabilização, navegação
e controle específicos são utilizados para a
estabilização, navegação e controle da aeronave
em voo.
Para a aplicação de monitoramento tático,
condicionado somente à inspeção visual das
embarcações e respectivas posições geográficas,
não há a necessidade do embarque de transceptor
do sistema AIS. Os equipamentos embarcados
podem ser observados no diagrama representado
pela Figura 5.
FIGURA 5
Eletrônica embarcada.
Eletrônica embarcada.
Entretanto, devido às condições climáticas
desfavoráveis à inspeção visual e caso a aplicação
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Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
necessite de informações provenientes do sistema
AIS, é possível o embarque do transceptor.
O transceptor AIS recebe as informações das
embarcações mais próximas, codifica-as e envia ao
servidor aeronáutico para posterior transmissão à
estação base de comando. Para a configuração e o
controle automático do sistema AIS (Figura 6) é
utilizado um servidor aeronáutico, conectado por
meio de um barramento de dados, contendo um
software de computador específico, de arquitetura
modular, denominado de software de comunicação
e controle AIS (SCC-AIS). O SCC-AIS tem a
principal função de efetuar as configurações no
transponder AIS, de interfacear o sistema AIS
ao sistema aviônico do VANT, de controlar o
mecanismo de transmissão (TX) e recepção
(RX) dentre outras funcionalidades pré-definidas
durante o planejamento e execução da missão.
A transmissão dos dados AIS é feita utilizando o
mesmo enlace de dados de telemetria da aeronave.
A Figura 6 mostra o diagrama básico de
funcionamento do sistema AIS.
2.5. Estação base de comando
Para suportar a missão de monitoramento tático
utilizando um VANT, a estação base de comando
(Estação marítima portátil) é um componente
de extrema relevância, pois é responsável pela
aquisição de todas as informações captadas pela
aeronave, conforme as funcionalidades descritas
nos próximos parágrafos, além de garantir a
decolagem e o pouso da aeronave, que é feita
de forma manual. A estação base de comando
possui a sua concepção de forma modular e
portátil, o que facilita o seu transporte e agilidade
operacional em campo, embarcado em um navio
ou interligado a um sistema de controle fixo, que
pode estar no solo, no mar ou no ar.
Por intermédio da estação base de comando
é possível controlar remotamente o VANT.
Softwares específicos contidos no laptop da estação
base possibilitam a criação de missões específicas,
upload e download de dados da aeronave, a utilização
de controles de voo (joysticks) e a interface com
software de Moving-map / Visão Sintética. Eles
também permitem um completo sistema de
FIGURA 6
Eletrônica embarcada com o sistema AIS.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
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Rodrigo Kuntz Rangel / Cleber Almeida de Oliveira / Karl Heinz Kienitz / Mauricio Pazini Brandão
navegação via waypoints e uma interface visual e
sonora contendo instruções de navegação de fácil
compreensão, similar aos atuais sistemas de HeadUp-Display (HUD) e sistemas aviônicos utilizados
nos mais modernos aviões da atualidade (Rangel,
Guimarães e Brandão, 2007).
Por meio de um capacete específico, equipado
com um conjunto de visores com tecnologia
LCD, alto-falantes, equipamento giroscópio,
juntamente com a interface gráfica do HUD
e alarmes sonoros provenientes do software de
navegação, é possível a total integração entre o
piloto e a aeronave. Imagens e sinais de áudio
do voo são captados, processados em tempo
real e mostrados ao piloto de forma visual e
sonora. Com isso, cria-se um cockpit virtual para
a pilotagem remota do VANT, possibilitando
a total imersão do piloto no cockpit virtual do
veículo (RANGEL, KIENITZ e BRANDÃO,
2009). Em tempo real, é possível gravar os dados
do voo e da missão (vídeo e dados de voo). Existe
também a possibilidade de conectividade a outras
estações de comando ou módulos adicionais,
customizados para a respectiva missão, por meio
de redes LAN, WLAN e Internet. Adicionalmente,
por intermédio da conectividade entre a estação
base de comando e o sistema AIS, é possível
o monitoramento em tempo real e obtenção
das informações das embarcações presentes
na região monitorada. Essas informações são
representadas na estação base por meio de um
dispositivo gráfico, de forma visual e contendo
todas as informações coletadas das embarcações
monitoradas.
O limite operacional, em termos de controle da
aeronave, na forma manual, dependerá do alcance
do rádio controle. Em aplicações em que exista
a necessidade de um controle manual de forma
estendida, há provisões sistêmicas para utilização
de equipamentos de comunicação via satélite. Na
Figura 7, o item A mostra o diagrama básico de
funcionamento da estação de solo (Inspeção visual) e o item B mostra o diagrama básico de funcionamento da estação de solo com o sistema AIS.
3. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
Para demonstrar a possibilidade de utilização de
Veículos Aéreos Não-Tripulados em missões de
Patrulhamento Marítimo com a possibilidade de
utilização do sistema AIS, foi criado um cenário
tático fictício respeitando os limites operacionais
dos equipamentos de comunicação. Neste cenário,
as distâncias estabelecidas como sendo os alcances
máximos de comunicação não representam as
respectivas operacionalidades de um cenário
real, no que diz respeito ao alcance máximo
operacional. A aplicação proposta tem duas
finalidades, sendo a primeira o patrulhamento de
embarcações marítimas, plataformas de petróleo
e regiões pré-definidas, condicionado somente à
FIGURA 7
Diagrama básico de funcionamento da estação de solo (A) e Diagrama básico de funcionamento da estação de
solo com o sistema AIS (B),
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Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
inspeção visual. A segunda finalidade, além do
patrulhamento condicionado à inspeção visual, é
a utilização do sistema AIS para a obtenção de
informações sobre as embarcações marítimas
presentes na região patrulhada.
Quando em operação, o VANT envia à estação
base os dados de navegação e as imagens
georreferenciadas do voo. As informações são
recebidas pela estação base e, posteriormente,
são representadas de forma gráfica numa espécie
de MFCD (Multi-Function Color Display) contido
no rack de missão da estação base de controle
(Estação marítima). Caso o sistema VANT esteja
equipado com os equipamentos AIS, incluemse os dados das embarcações coletados pelo
transceptor. O nível de voo do VANT pode
aumentar o alcance operacional do sistema
AIS e, consequentemente, servir de relay de
comunicações dos dados. A Figura 8 mostra a
disposição tática e operacional das embarcações
marítimas e do VANT, e a Figura 9 mostra o
resultado obtido atpor meio de simulações do
sistema VANT com o módulo adicional AIS.
FIGURA 8
Disposição tática e operacional das aeronaves com os
respectivos rádios.
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FIGURA 9
Resultado simulado do sistema VANT com o módulo
adicional AIS, tela da estação base de comando.
Basicamente, o VANT decola de forma manual,
entra em cruzeiro e pousa manualmente. As
funções e navegação automáticas são acionadas
quando o VANT está voando em cruzeiro, que
consiste em voar até o ponto de patrulhamento,
mantendo a rota pré-definida, orbitar a região pelo
período determinado, se necessário, e retornar à
base de operações.
Após o planejamento da missão, a próxima
etapa é a preparação para o voo do VANT. Para
isso, todos os sistemas embarcados na aeronave
partem de um ponto em comum, ou seja, da
rota estabelecida e gravada em um cartão de
memória acoplado no piloto eletrônico. por meio
de um software capaz de fazer o planejamento da
rota e gravação no cartão de memória, a rota da
missão é definida, gravada e carregada no piloto
eletrônico (LITZENBERGER, 2007), que, por
sua vez, é responsável por toda a navegação
automática da aeronave. Posteriormente ao
planejamento da missão e inserção dos dados na
aeronave, a rota estabelecida por altitude, latitude
e longitude é carregada no software de navegação
e controle da estação base de comando, a fim de
se obter um sistema secundário de backup. O GPS
41
Rodrigo Kuntz Rangel / Cleber Almeida de Oliveira / Karl Heinz Kienitz / Mauricio Pazini Brandão
é conectado ao piloto eletrônico, onde são lidas
e codificadas as informações provenientes da
aeronave em relação à sua rota pré-estabelecida.
O vídeo do voo é transmitido em tempo real para
a estação do solo apir meio de um vídeo-enlace
conjunto com o enlace de telemetria, feito por um
sistema de telemetria dedicado. As transmissões
de telemetria e vídeo-enlace ficam limitadas ao
raio operacional dos respectivos componentes de
radiofrequência.
Quando a missão é iniciada, o piloto manualmente
decola a aeronave e numa altitude pré-definida
aciona o modo automático e, então, o piloto
eletrônico assume o comando da aeronave.
Durante a etapa de decolagem e a de pouso, a
estação base recebe em tempo real as imagens
da câmera de vídeo e os dados de telemetria referentes ao estado dos sensores embarcados na
aeronave, assim como a posição da aeronave em
relação à rota pré-definida (TSUI, 2000), a identificação e dados de navegação das embarcações
contidas no raio operacional do sistema VANT.
Todas essas informações são interpretadas e
unificadas num software específico, denominado
software de navegação e controle da estação base
de comando. Após a conclusão da missão, a aeronave inicia o processo de aproximação para
pouso. Nessa etapa, a estação de base é avisada
para que o piloto humano assuma o controle da
aeronave. Quando este assume o controle da aeronave, o piloto eletrônico é desligado e a aeronave faz o pouso manualmente. As informações
obtidas durante o voo, os dados de navegação
da aeronave assim como as imagens e dados das
embarcações, são armazenadas na estação de
comando criando assim uma base de dados para
consultas futuras.
Um fator que deve ser considerado é a adequação
dos sistemas de VANT às condições climáticas e
operacionais marítimas, pois os sistemas embarcados tanto no VANT quanto os sistemas que compõe a estação base, devem seguir normas de qualificação para que não fiquem suscetíveis a problemas acarretados pela maresia, água salgada e etc.
Utilizando um Veículo Aéreo Não-Tripulado, é
possível a instalação de um Sistema de Identificação Automática (AIS) embarcado que possibilite
além do patrulhamento condicionado à inspeção
visual, a obtenção de informações sobre qualquer
tipo e classificação das embarcações marítimas
presentes na região patrulhada, sendo através da
inspeção visual ou pelo sistema AIS.
Com a variação do nível de voo do VANT é possível aumentar o alcance operacional do sistema
AIS e consequentemente servir de relay de comunicações e de dados.
Por possuir uma estação de comando portátil, é
possível o controle do VANT e o monitoramento
da missão através de embarcações marítimas, plataformas de petróleo e até mesmo de aeronaves
tripuladas.
Com a utilização de outros tipos de rádios e sensores, como, por exemplo, câmeras infravermelho ou termais, é possível a adequação da aplicação à necessidade operacional, pois a plataforma
móvel, o VANT, pode ser adaptado segundo a
necessidade da aplicação.
Dessa forma, pretende-se aprofundar o estudo em
questão para a disponibilização desse tipo de equipamento, que poderá auxiliar as Forças Armadas
Brasileiras no patrulhamento costeiro, sendo mais
um equipamento tecnológico trabalhando para a
manutenção da soberania nacional.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Durante o presente trabalho foi mostrado que
há a possibilidade de desenvolvimento de um
sistema de patrulhamento tático por meio aéreo,
que não necessite de superioridade aérea.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
REFERÊNCIAS
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to Processes, Tools, and Techniques. CMP Books, EUA. 1a
edição, 2001.
DORF, R.; BISHOP, R. Sistema de Controle Moderno. LTC,
Rio de Janeiro, Brasil. 8a edição, 2001.
IBGE, 2009: http://www.ibge.gov.br/ibgeteen/pesquisas/geo/
posicaoextensao.html, último acesso em 10 de outubro de 2009.
IMO, 2009: http://www.imo.org.br, último acesso em 09 de outubro de 2009.
RANGEL, R. K.; KIENITZ, K. H. e BRANDÃO, M. P. Development of a Complete UAV System Using COTS Equipment.
IEEE Aerospace Conference, Montana, EUA.
RANGEL, R. K.; GUIMARAES, L. N. F. e BRANDÃO, M. P.
Development of an UAV Navigation System through Synthetic Vision. Congresso SAE Brasil, São Paulo, Brasil. 2007.
STINTON, D. The Design of the Aeroplane. Blackwell Science, UK. 2a edição, 2001.
TSUI, J. Fundamentals of Global Positioning System Receivers: A Software Approach. John Wiley & Sons, EUA. 1a
edição, 2000.
LITZENBERGER, G. World Robotics.World Robotics Press Conferece, Germany.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 23, 2010, p. 34-43
43
Materiais Especiais
Síntese e Avaliação da Ação Algicida de Lyso-glicerofosfocolinas
Capitão-de-Corveta (EN) William Romão Batista
Mestre em Química Analítica pela Universidade Federal do Rio de
Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Militar pesquisador do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Vanessa de Almeida Martins
Mestre em Química Analítica pela Universidade Federal do Rio de
Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Cursando o Doutorado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Instituto de Química – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Maria Helena Campos Baeta Neves
Doutora em Oceanografia Biológica Algologia pela Université Pierre et
Marie Curie – Paris – França.
Pesquisadora do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Ricardo Coutinho
Doutor em Biologia pela University Of South Carolina – Columbia,
SC – Estados Unidos.
Pesquisador do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Rosangela Sabbatini Capella Lopes
Doutora em Química Orgânica pela Universidade Federal do Rio de
Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Professora da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de
Química – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Cláudio Cerqueira Lopes
Doutor em Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro –
Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de
Química – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Este trabalho apresenta uma proposta de síntese e
de uso, como biocida anti-incrustante marinho, de
lyso-glicerofosfocolinas especiais. Lecitina de soja foi
utilizada como matéria-prima de síntese. Na avaliação da
ação biocida contra o crescimento microbiológico foram
utilizadas três espécies de microalgas representativas
dos principais grupos de organismos formadores do
biofilme marinho: Tetraselmis striata; Dunaliella tertiolecta
e Skeletonema costatum. A síntese empregada produziu
uma mistura de diferentes lyso-glicerofosfocolinas, que
foram identificadas pelo uso de técnicas de espectrometria
de massas. A ação anti-incrustante do produto de síntese
foi avaliada por comparação àquela conseguida com o
uso de sulfato de cobre, uma das formas de cobre usado
em tintas anti-incrustantes. Os resultados alcançados
demonstram que o uso de lyso-glicerofosfocolinas pode
44
ser uma boa opção biocida para o preparo de tintas antiincrustantes de uso naval.
Palavras-chave
Síntese.
Lyso-glicerofosfocolinas.
Biocida. Microalgas.
Anti-incrustante.
Synthesis and Evaluation of the Algaecide
Action of Lyso-glycerophosphocolines
Abstract
This paper presents a proposal for synthesis and
use, as an antifouling marine biocide, of special lysoglycerophosphocolines. Soy lecithin was used as raw
material for synthesis. In the evaluation of biocide action,
against microbial growth, – three micro algae species
representing the main groups of marine organisms
that form the biofilm were used: Tetraselmis striata;
Dunaliella tertiolecta and Skeletonema costatum. The
synthesis used produced a mixture of different lysoglycerophosphocolines, which were identified by the use
of mass spectrometry techniques. The antifouling action
of the synthesis product was assessed by comparinglaboratory tests to the effects achieved – by using
– sulphate copper, a kind of copper used in antifouling
paints. The results – achieved show- that the use of lysoglycerophosphocolines can be an interesting biocide
option for -preparing -antifouling paints for – naval use.
Keywords
Synthesis.
Lyso-glycerophosphocoline.
Biocide. Micro algae.
Antifouling.
1. INTRODUÇÃO
Notório é o fato de a bioincrustação marinha ocasionar problemas logísticos e prejuízos econômicos, entre os quais podemos citar: entupimentos,
comprometimentos estruturais e, na navegação,
diminuição da velocidade, perda de manobrabilidade e aumento de consumo de combustível
(YEBRA, 2004; EGUFA e TRUEBA, 2007; MARECHAL e HELLIO, 2009; RAVEENDRAN e
MOL 2010; CASTRO et al. 2011; DAFFORN et
al., 2011). Ela é o resultado do processo natural
de colonização e crescimento de micro e macroRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
Materiais Especiais
-organismos sobre superfícies submersas. O seu
desenvolvimento envolve diferentes etapas e se
inicia com a adsorção, àquela superfície, de moléculas orgânicas disponíveis na coluna d’água, tais
como polissacarídeos e proteínas, o que permite
uma subsequente adesão de micro-organismos
como bactérias, cianobactérias, diatomáceas e
protozoários, caracterizando-se este estágio pela
formação do biofilme e é, este biofilme, o agente
facilitador do assentamento e do desenvolvimento de macro-organismos, tais como moluscos,
briozoários, poliquetas, balanídeos, crustáceos e
algas (BHADURY e WRIGHT, 2004; YEBRA et
al., 2004; CALLOW e CALLOW, 2006).
Muitos estudos têm demonstrado que a adesão
inicial de bactérias a uma superfície submersa é
uma das prováveis chaves tanto para se entender
o processo da bioincrustação quanto para se entender que a formação do biofilme é o mecanismo precursor da incrustação por organismos macroincrustantes (ARCE et al., 2004; BHASKAR
e BHOSLE, 2005; BRIAND, 2010; XIONG e
LIU, 2010). Dentro desta abordagem, espécies de
microalgas marinhas são consideradas como importantes organismos incrustantes, destacando-se as Clorofíceas, Heteroconta (principalmente
Diatomáceas) e Rodofíceas, sendo também as
cianobactérias frequentemente tidas como colonizadores primários.
O objetivo deste trabalho foi avaliar, por meio
de ensaios laboratoriais, a ação anti-incrustante,
contra microalgas, de um produto de síntese laboratorial composto por uma mistura de lyso-glicerofosfocolinas (LPC) análogos à substância
conhecida como Fator Ativador de Plaquetas (PAF).
Acredita-se que tais lyso-glicerofosfocolinas se
difundido no biofilme, possa agir ocasionando o
rompimento ou mau funcionamento da membrana citoplasmática das células dos organismos que
iniciam e formam o biofilme, ocasionando assim
a sua repulsão ou morte, implicando isto, consequentemente, na inibição ou mitigação do início
do processo de bioincrustação.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
2. METODOLOGIA DE PESQUISA
2.1. Hipóteses de ação
A ideia da utilização de LPC como agente anti-incrustante tem por princípio o efeito produzido
em outros tipos de células testadas na área médica
e farmacológica, tendo por hipótese o desencadeamento de uma reação antagônica ou processo
degenerativo nas células dos organismos incrustantes em contato com tais substâncias PAF (VENABLE et al. 1993; BOTITSI et al., 1998; KULIKOV e MUZYA, 1998; MARATHE et al., 2001).
Para se entender os mecanismos envolvidos na liberação e na ação de um biocida contido em uma
tinta ou outro substrato qualquer, supõem-se,
aqui, que ocorram as seguintes etapas: 1ª) o LPC,
utilizado como biocida, é liberado do substrato
e atinge a parte inferior do biofilme; 2ª) o LPC
começa a sua difusão pelo interior do biofilme,
tendo como principal eluente a água do mar e
como superfície de interação o biofilme (adsorção e dessorção); 3ª) o LPC atinge os invólucros
mais externos dos micro-organismos que compõem o biofilme, sendo iniciada a sua absorção;
4ª) o LPC atinge a membrana plasmática e ocasiona a repulsão ou morte do micro-organismo
e 5ª) o LPC que ultrapassa a camada do biofilme
entra na camada hidrodinâmica e passa a sofrer a
dispersão e a diluição pela água do mar (Figura 1).
Assim, um aspecto entendido como de fundamental importância refere-se às interações interfaciais desenvolvidas entre o LPC, a água do mar
e os exopolissacarídeos exsudados (EPS) constituintes do biofilme. Entende-se aqui que o LPC
não pode ser totalmente solúvel em água e nem
ter alta afinidade pelo EPS. Sendo ele totalmente
solúvel, tenderá a permanecer na fase aquosa e,
devido ao maior coeficiente de difusibilidade neste meio, será completamente retirado do biofilme, perdendo-se no ambiente aquoso. Se tiver ele
alta afinidade pelo EPS, a sua difusão tornar-se-á
muito lenta e menos abrangente, comprometendo o seu contato com os microorganismos, fican45
William Romão Batista / Vanessa de Almeida Martins / Maria Helena Campos Baeta Neves / Ricardo
Coutinho / Rosangela Sabbatini Capella Lopes / Cláudio Cerqueira Lopes
do assim restrito à parte mais inferior do biofilme
contíguo à camada de tinta e, como consequência, terá baixa eficiência (GOREISCH et al.,
2004; IWASAKI e ISHIHARA, 2005; YEBRA et
al., 2006; WATANABE e ISHIHARA, 2008).
3.1. Produtos químicos
Vale registrar que EPS – excetuando-se a água –
é o principal componente do biofilme. Formado
por uma complexa mistura de macromoléculas
tais como polissacarídeos, proteínas, lipídios e
ácidos nucléicos, sendo sua composição variável
com a espécie de micro-organismo e fatores ambientes envolvidos.
3.2. Ensaios laboratoriais
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Ácido fórmico ACS (Sigma Aldrich); Sulfato de
cobre PA (Vetec); metanol LC-MS (Tedia); diclorometano GC (Tedia); água grau-1 (Milli-Q);
lecitina de soja (Akros) e Sódio metálico (Vetec).
A atividade biocida do produto de síntese foi
comparada àquela obtida pelo uso do sulfato de
FIGURA 1
Ilustração da difusão hipotética do biocida (LPC). O biocida componente da tinta é carreado pela água do mar
a partir de poros formados por desgaste (concentração máxima – C máx) e se difunde pelo biofilme entrando
em contato com os micro-organismos. Ao ultrapassar a camada do biofilme ele passa a ser diluído, pela ação da
água do mar, na camada limite hidrodinâmica. Alcançando sua diluição total (C → 0) na região mais exterior.
Fonte: adaptado de Yebra et al. 2006.
46
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
Materiais Especiais
cobre (CuSO4), uma das formas de cobre usadas
como biocida em tintas anti-incrustantes, contra
o crescimento de microalgas representativas dos
maiores grupos de organismos formadores do
biofilme. Foram utilizadas uma espécie de prasinofícea (Tetraselmis striata), uma de clorofícea (Dunaliella tertiolecta) e uma de diatomácea (Skeletonema
costatum) fornecidas pelo Laboratório de Microalgas do Instituto de Estudos do Mar Almirante
Paulo Moreira (IEAPM).
Para os ensaios, realizados em triplicata, 5x105
cel.ml-1 de cada espécie de microalgas em fase de
crescimento exponencial foram colocados em tubos de ensaio contendo 15 ml de meio de cultura
Conway e em seguida inoculadas com as soluções
de CuSO4 e do produto de síntese, as quais, ao
final, ficaram com concentrações de 3,3 µg.ml-1
e 3,0µg.ml-1 respectivamente. Os tubos contendo
as microalgas foram colocados em uma incubadora a 18 ºC com ciclo de fotoperíodo de 12h luz
e 12h escuro, sendo avaliados diariamente quanto ao crescimento celular, durante cinco dias, por
meio da contagem direta das células em um Hematocitômetro de Neubauer.
4. SÍNTESE DAS LYSO-GLICEROFOSFOCOLINAS
A síntese de glicerofosfolipídios não é uma tarefa trivial, pois requer uma incorporação regiosseletiva de três diferentes substituintes nas três
posições possíveis da molécula de glicerol, o que
envolve sequências de proteção e desproteção
de suas hidroxilas e sequências de alquilação ou
acilação e fosforilação, podendo para este intento utilizar-se de procedimentos catalíticos e enzimáticos (TESTET et al., 2002; ICHIHARA et al.,
2005; D’ARRIGO et al., 2007).
Para este trabalho, foi desenvolvida, pelo Laboratório de Síntese e Avaliação de Produtos Estratégicos (LASAPE), uma síntese a partir das lecitinas
de soja (Figura 2), visando o preparo de LPC do
tipo 1-hidroxi-2-O-acil-sn-glicero-3-fosfocolina,
substâncias estas com estruturas químicas seme-
FIGURA 2
Síntese de Lyso-GPC a partir de lecitina de soja por metanólise.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
47
William Romão Batista / Vanessa de Almeida Martins / Maria Helena Campos Baeta Neves / Ricardo
Coutinho / Rosangela Sabbatini Capella Lopes / Cláudio Cerqueira Lopes
lhantes aos compostos 1-O-hexadecil-2-O-acetil-sn-glicero-3-fosfocolina (PAF) e 1-O-hexadecil-sn-glicero-3-fosfocolina (Lyso-PAF).
A síntese foi realizada em um reator de vidro
equipado com um condensador de refluxo com
água fria, sendo as lecitinas tratadas com uma
solução de metóxido de sódio em metanol preparada in situ durante um longo período de agitação mecânica e sob aquecimento. A batelada
foi realizada usando-se 1000 mL de metanol, 3.0
gramas de sódio metálico e 40.0 gramas de lecitinas de soja. A mistura reacional foi deixada sob
forte agitação durante 72 horas sob aquecimento
de 45-60 ºC, sendo o resíduo sólido filtrado por
gravidade em papel de filtro. Após a remoção das
substâncias voláteis foi obtido em 33,4 gramas de
produto sólido.
As lecitinas de soja empregadas neste projeto
foram caracterizadas estruturalmente por meio
da espectrometria de massas usando um sistema de cromatografia líquida de alta performance
(HPLC) Shimadzu Prominence acoplada a um
analisador de massas tipo iontrap da Bruker Esquire 6000 e apresentaram a composição mostrada no Quadro 1.
5. ANÁLISE QUÍMICA QUALITATIVA
O produto de síntese, previamente dissolvido em uma mistura de metanol, clorofórmio e
água (2/1/1) e acidulado com ácido fórmico,
foi injetado manualmente no cromatógrafo a
líquido (injetor Rheodyne alça de 20 μl) sob as
seguintes condições operacionais: coluna cromatográfica tipo C18 marca Thermo (5 μm),
250x2 mm; fase móvel isopropanol, água, metanol e acetato de etila com um gradiente começando com (40/15/40/05), mantido por 10 minutos a uma vazão de para 0.1 ml/min, passando
a (25/05/50/20) aos 15 minutos a uma vazão de
0.3 ml/min sendo mantido até tempo final de
30 minutos. A linha de efluentes foi direcionada
para um espectrômetro de massa do tipo iontrap
equipado com um eletronebulizador ortogonal
e trabalhando sob as seguintes condições operacionais: modo positivo, scan 400-950 m/z; agulha capilar a -4.0 KV; fluxo de gás nitrogênio 10
(l/min); temperatura de secagem de 300ºC e nebulizador a 30 (psi); Hélio usado como gás de
amortecimento do trap; alto vácuo de 1x10-5
(mbar); trap drive 59.1; lente 1 (–5V); lente 2 a
(–60V); saída do capilar a 132,3 (V); skimmer 40
(V); octopolo 1 DC a 12 (V); octopolo 2 DC a 1,7
(V) e octopolo RF 194.5 (V).
QUADRO 1
Composição das lecitinas de soja usadas como matéria-prima.
48
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
Materiais Especiais
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A análise por espectrometria de massa da corrente eluindo do HPLC produziu o cromatograma
de íons totais apresentado na Figura 3.
síveis estruturas químicas (PULFER e MURPHY,
2003; PETERSON e CUMMINGS, 2006; HSU e
TURK, 2009; KHALIL et al., 2010).
Foi realizada uma avaliação dos íons componentes eluindo nos tempos 4.9; 10.1(espectro não
apresentado); 11.7 e 13.2 min, inerentes aos principais picos observados (Figuras 4 a 6).
As fragmentações tipo MS2 dos íons m/z 539;
523; 615; 597 e 599, mostrados nas Figuras 4 a
6, produziram, exceto para o íon precursor m/z
539, o íon característico m/z 184, confirmando
se tratarem de glicerofosfocolinas produzida na
síntese.
Entende-se aqui que as condições experimentais
usadas na análise proporcionaram uma boa distribuição e separação dos lipídios hidroxilados, nos
13 minutos iniciais, daqueles mais ramificados e/
ou não reagidos, como é o caso de uma glicerofosfocolina m/z 736 observada nos, aproximadamente, 15 minutos.
Do acima exposto, considera-se aqui que os principais produtos obtidos pela síntese foram os íons
m/z 523, m/z 599 e m/z 597 (figura 7), sendo a
presença dos íons m/z 734 e 736, os quais são tidos como resíduo da matéria prima empregada, a
lecitina de soja, uma indicação de que houve uma
baixa conversão alcançada pela síntese.
Para cada espectro obtido, os íons mais intensos
foram isolados e avaliados usando espectrometria
do tipo MS2 (espectros não apresentados) para
confirmação do fragmento característico m/z
184, específico para fosfocolinas, sendo tais íons
precursores estudados e avaliados quanto as pos-
Em relação à inibição do crescimento celular, verificou-se, conforme mostrado na Figura 8, que a
solução contendo o produto de síntese apresentou uma inibição superior àquela produzida pela
do CuSO4, nos seguintes percentuais: 60,88%
sobre o crescimento da Diatomácea Skeletonema
FIGURA 3
Cromatograma de íons (TIC) totais obtido do efluente do HPLC.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
49
William Romão Batista / Vanessa de Almeida Martins / Maria Helena Campos Baeta Neves / Ricardo
Coutinho / Rosangela Sabbatini Capella Lopes / Cláudio Cerqueira Lopes
FIGURA 4
Espectro de massas dos íons eluindo aos 4.9 minutos de corrida.
FIGURA 5
Espectro de massas dos íons obtidos do eluente do HPLC aos 11.7 minutos de corrida. Íon 597 m/z confirmado
quanto ao fragmento característico.
FIGURA 6
Espectro de massas dos íons obtidos do eluente do HPLC aos 13.2 minutos de corrida. Íon 599 m/z confirmado
quanto ao fragmento característico.
50
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
Materiais Especiais
FIGURA 7
Proposta de fragmentação para íon precursor m/z 615, gerando os íons m/z 599, 597 e 581.
FIGURA 8
Efeitos inibidores das soluções, Padrão de controle CuSO4 (P), Produto de síntese (S) e Branco de reagentes
(B), sobre o crescimento celular das microalgas marinhas Tetraselmis striata (Ts); Dunaliella tertiolecta (Dt)
e Skeletonema costatum (Sc). Contagem realizada diariamente, após inoculação das soluções, por um período
total de cinco dias.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 44-53
51
William Romão Batista / Vanessa de Almeida Martins / Maria Helena Campos Baeta Neves / Ricardo
Coutinho / Rosangela Sabbatini Capella Lopes / Cláudio Cerqueira Lopes
costatum; 32% sobre a Prasinofícea Tetraselmis striata e 0,46% sobre a Clorofícea Dunaliella tertiolecta,
demonstrando assim, que o produto de síntese
exibe bom nível de atividade algicida. Outro aspecto também observado refere-se à tolerância
ao CuSO4, concordando com o obtido por Claire et al. (2002), pela Skeletonema costatum, o que
ratifica que métodos usuais do controle da bioincrustação com o uso de tintas anti-incrustante
contendo cobre, não é de todo efetivo sobre o
biofilme formado por algas diatomáceas.
7. CONCLUSÃO
A utilização de lyso-glicerofosfocolinas como
agente anti-incrustante apresenta-se como uma
promissora perspectiva considerando sua fácil
síntese e bom desempenho algicida comparada
ao CuSO4. Torna-se especialmente importante
ressaltar a sua atividade anti-incrustante contra o
crescimento de espécies de diatomáceas, grupo
representativo dos principais micro-organismos
formadores do biofilme. Entende-se aqui que o
seu uso possa ser de fato relevante ao considerar-se uma possível substituição de aditivos biocidas
hoje utilizados em tintas marítimas anti-incrustantes.
8. AGRADECIMENTOS
Registrem-se os nossos agradecimentos ao Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira – IEAPM –; à Marinha do Brasil (MB); ao
Laboratório de Síntese e Análise de Produtos Estratégicos – LASAPE –; à Universidade federal
do Rio de Janeiro – UFRJ – e à Fundação de
Estudos do Mar – FEMAR –.
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Materiais Especiais
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53
Materiais Especiais
Sulfonação da Base de Esmeraldina para Utilização como
Membranas Trocadoras de Prótons para Células a Etanol
Ana Paula Santiago De Falco
Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade
Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Cursando o
Doutorado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de
Macromoléculas – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Pesquisadora do Instituto de Pesquisas da Marinha – Rio de Janeiro,
RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Magali Silveira Pinho
Doutora em Ciência e Tecnologia de Polímeros pela Universidade
Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Pesquisadora do Instituto de Pesquisas da Marinha – Rio de Janeiro,
RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Luis Cláudio Mendes
Doutor em Ciência e Tecnologia de Polímeros pela Universidade
Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de
Macromoléculas – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Roberto da Costa Lima
Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade
Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Pesquisador do Instituto de Pesquisas da Marinha – Rio de Janeiro,
RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Wido H. Schreiner
Doutor em Física pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul –
Porto Alegre, RS – Brasil.
Professor do Departamento de Física da Universidade Federal do
Paraná – Curitiba, PR – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Membranas trocadoras de prótons para células a
combustível (PEMFCs, Proton Exchange Membrane
Fuel Cells) são consideradas como alternativas muito
promissoras para os motores à combustão de veículos
e de plataformas militares. A membrana trocadora de
prótons (PEM) constitui a parte central no sistema
PEMFC e desempenha papel relevante nas condições
operacionais do mesmo. Tentativas no desenvolvimento
de PEMs, resistentes a temperaturas elevadas, incluem
a utilização de polianilinas (PAni), que facilmente
incorporam grupos sulfônicos, resultando na obtenção de
polianilinas sulfonadas (SPAni). Neste trabalho, a PAni sob
a forma de base de esmeraldina (EB) reagiu com ácido
sulfúrico fumegante, resultando na obtenção de SPAni,
que será processada por extrusão com PEEK (poli(éter
éter cetona)), para utilização como PEMFC, a base de
etanol. Os graus de protonação e de sulfonação de SPAni
54
foram avaliados pela Espectroscopia Fotoeletrônica de
Raios-X (XPS). A reação de sulfonação, confirmada pela
Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de
Fourier (FTIR), aumentou a higroscopicidade de EB,
embora tenha ocorrido a protonação dos grupos imínicos.
Palavras-chave
Polianilina. Sulfonação. Membranas trocadoras de
prótons para células a combustível.
Sulfonation of Emeraldine Base for Proton
Exchange Membrane for Ethanol Fuel Cells
Abstract
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are
considered as promising alternatives to traditional
combustion engines for naval platforms and automobiles.
The proton exchange membrane (PEM) is the central part
in a PEMFC system and has a major influence on the
system´s operating conditions and overall performance.
Efforts in the development of high-temperature PEMs
include the use of polyanilines (PAni), which directly
incorporate sulfonic acid groups, resulting in the
sulfonated polyanilines (SPAni). In this paper, the
emeraldine base (EB) form of polyaniline reacted with
fuming sulfuric acid, for the formation of SPAni composite
membranes with PEEK (poly(ether ether ketone)), which
will be prepared by extrusion, for direct ethanol fuel cell.
The degrees of protonation and sulfonation of SPAni
were evaluated by X-Ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS). The sulfonation reaction, confirmed by the infrared
spectroscopy (FTIR), resulted in an increase of the water
absorption by EB, although the protonation of the imine
groups had also occurred.
Keywords
Polyaniline. Sulfonation. Proton exchange membranes
for fuel cells.
1. INTRODUÇÃO
Membranas trocadoras de prótons (PEMs, Proton
Exchange Membranes) para células a combustível
(PEMFCs, Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
são consideradas como alternativas muito proRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
Materiais Especiais
missoras para os motores à combustão das plataformas navais. A PEM é a parte central do sistema PEMFC e em muito influencia as condições
operacionais e de desempenho como um todo.
Membranas poliméricas à base de ácido perfluorossulfônico (PFSA) não são adequadas para as
PEMs submetidas a altas temperaturas, devido à
significativa perda em condutividade de prótons
e a baixas condições de umidade, decorrentes de
desidratação das membranas. As primeiras tentativas no desenvolvimento de PEMs resistentes a
altas temperaturas incluíram modificação de polímeros à base de PFSA com materiais higroscópicos e a síntese de polímeros, tais como as polianilinas (PAni), que incorporam grupos sulfônicos,
aumentando a higroscopicidade (CHEN et al.,
2006; SANKIR et al., 2006).
A sulfonação de polianilina é uma reação de substituição eletrofílica de anéis aromáticos, na qual
o grupamento -SO3H introduzido na cadeia desempenha um papel importante na dependência
da condutividade com o pH (NAGARALE et al.,
2006). Segundo a literatura, membranas sulfonadas à base de PEEKK-PAni têm sido utilizadas em células a combustível, a base de metanol
(XIANFENG et al., 2006).
Neste trabalho, as variações químicas decorrentes
da reação de sulfonação foram observadas pela
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR) enquanto os graus de dopagem (protonação) e de
sulfonação foram determinados pela espectroscopia fotoeletrônica de raios-X (XPS). A estabilidade térmica foi avaliada pela análise termogravimétrica (TGA) e pela derivada (DTG). A reação
de sulfonação resultou em um aumento do caráter higroscópico de EB, embora a protonação
dos grupos imínicos também tenha ocorrido.
2. METODOLOGIA
2.1. Obtenção de SPAni
Inicialmente, foi obtida a polianilina dopada com
ácido clorídrico (PAni-HCl), conhecida como sal
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
de esmeraldina (ES), utilizando a rota sintética
descrita na literatura (PINHO, 2006). Posteriormente, a ES foi neutralizada com solução 0,1 M
de hidróxido de amônio, resultando na obtenção
de EB.
A rota sintética para a obtenção de SPAni consistiu da adição de 40 ml de ácido sulfúrico fumegante a 5 °C, contendo 20 % de SO3, a 0,5 g de
EB. O sistema foi mantido em banho de gelo por
15 min, sob agitação magnética. Em seguida, retirou-se o banho de gelo e a solução foi mantida
sob agitação por 1 h, na temperatura ambiente. A
solução foi vazada em metanol a frio para precipitar o polímero modificado (SPAni). O produto
foi filtrado e lavado com água destilada até obtenção de pH neutro para o filtrado. Por fim, o precipitado foi seco em estufa, até peso constante.
O pó de SPAni foi caracterizado por FTIR, XPS,
TGA e DTG.
2.2. Análises de XPS
Os espectros de XPS foram fornecidos pelos espectrômetros fotoeletrônicos de raios-X, modelos XSAM-800 da Kratos Analytical Instruments
para a amostra de EB e VGX900 ASCIIP da VG
Microtech para a SPAni, ambos com fonte Mg
Kα de raios-X (1253,6 eV) (PINHO, 2006; WEI
et al., 1999).
2.3. Espectrometria de Infravermelho com
Transformada de Fourier (FTIR)
Os espectros de infravermelho foram obtidos
pela utilização do espectrômetro Varian 3100. As
amostras foram analisadas sob a forma de pastilhas com KBr (PINHO, 2006).
2.4. Análises Térmicas (TGA e DTG)
As análises termogravimétricas (Thermogravimetry
e Derivative Thermogravimetry Analyses) foram realizadas no modelo Q500 da TA Instrument Thermogravimetric Analyzer, para a faixa de temperatura de 30 a 700 °C, com taxa de aquecimento de
10°C/min.
55
Ana Paula S. De Falco / Magali S. Pinho / Luis Cláudio Mendes / Roberto da C. Lima / Wido H. Schreiner
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
TABELA 1
Análise elementar por XPS da amostra de EB.
De acordo com a literatura especializada da área, a
base de esmeraldina (EB) (razão amina/imina de
1/1, isto é, grau de oxidação de 0,5) corresponde
à forma de oxidação mais estável das polianilinas
e, por este motivo, torna-se mais difícil a redução
para a base de leucoesmeraldina (100% função
amina) e a oxidação para a base de pernigranilina
(100 % função imina). Pelo exposto, a reação de
sulfonação ocorreu na EB (PINHO, 2006; WEI
et al., 1999; DE FALCO et al., 2009).
Os espectros de XPS para SPAni são apresentados nas Figuras 2 e 3 para N1s e S2p, enquanto
a Tabela 2 apresenta os valores das energias de
ligação (BE em eV) e, entre parêntesis, das áreas
(%) e das larguras das bandas a meia altura, em
eV (FWMN, Full Widths at Half Maximum).
A Figura 1 ilustra o espectro de XPS de nitrogênio (N1s) para a EB e a Tabela 1 apresenta os
dados fornecidos pela deconvolução do espectro.
FIGURA 2
Espectro de XPS de N1s de SPAni.
FIGURA 1
Espectro de N1s da EB.
A Figura 1 apresenta a deconvolução do espectro de XPS de N1s para a EB, indicando a presença de dois picos principais com energias de
ligação em 398,1 e 399,3 eV, correspondentes aos
nitrogênios imínicos (-N=) e amínicos (-NH-) semelhantes em intensidades, consistentes com o
grau de oxidação de 0,50. A presença residual de
unidades protonadas (N1+ e N2+), ilustradas sob a
forma de caudas com elevada energia de ligação
(BE, binding energy), indica uma desprotonação incompleta da PAni-HCl, confirmada na Tabela 1
pela presença de cloro (0,5 %).
56
De forma análoga à amostra de EB, o espectro de
N1s da SPAni na Figura 2 também apresenta os picos com BE em 398,1 e 399,4 eV, porém, com diferentes intensidades. Como a reação de sulfonação
ocorreu na EB, uma grande parte dos N imínicos
foi protonada, ilustrada pela redução da área percentual do pico A, em comparação com o pico B.
Estes resultados estão de acordo com a literatura
especializada (WEI et al., 1999), uma vez que os nitrogênios imínicos são mais facilmente protonados
em relação aos amínicos e que a protonação ocorre, de forma preferencial, em relação à sulfonação
para a EB. Os dois picos com energias de ligação
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
Materiais Especiais
em 400,9 e 401,7 eV são atribuídos aos nitrogênios
com carga positiva e o valor percentual da área total
destes picos, correspondente à 30 %, é atribuído ao
grau de protonação (0,30), de acordo com a literatura (WEI et al., 1999).
Tabela 2
Energias de ligação (eV) e valores percentuais da área
e FWMN (entre parêntesis) dos componentes de XPS
dos picos das linhas de N1s e S2p para a SPAni.
Conforme ilustra a Figura 3, o espectro S2p foi
ajustado como um doublet simples. A origem do
pico com maior intensidade e menor BE pode
ser atribuída ao enxofre (S) do ânion (HSO4-),
que protona preferencialmente o anel imínico,
resultando em sítios catiônicos (nitrogênios positivamente carregados). O pico com mais elevada
BE pode ser atribuído ao S do –SO3H, ligado ao
anel benzênico. A explicação para estas assertivas
é que o S nos grupos (HSO4-) que protonam, preferencialmente, os nitrogênios imínicos, apresenta uma maior densidade eletrônica em relação aos
grupos sulfônicos neutros (–SO3H).
A Tabela 3 ilustra os resultados da análise elementar por XPS da amostra de SPAni.
Tabela 3
Análise elementar por XPS da amostra de SPAni.
Os valores teóricos correspondem a 66,6 % para
o carbono, 11,1 % para o nitrogênio, 5,6 % para
o enxofre e 16,7 % para o oxigênio (WEI et al.,
2009).
A amostra de SPAni apresentou um valor mais elevado para C/N e mais baixo para S/N em relação
aos valores teóricos de 6,0 e 0,50, respectivamente.
O valor mais baixo de S/N, correspondente a 0,41,
vem corroborar a protonação dos N imínicos.
O excesso de C e O pode ser atribuído à contaminação superficial por hidratos de carbono, de
acordo com a literatura (WEI et al., 1999).
Na Figura 4 são apresentados os espectros de
FTIR da EB e SPAni.
FIGURA 4
Espectros de FTIR de (a) EB e (b) SPAni.
FIGURA 3
Espectro de XPS de S2p de SPAni.
Na Figura 4, podem ser observadas diferenças significativas decorrentes da reação de sulfonação,
tais como a presença das bandas em 1075 cm-1,
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
57
Ana Paula S. De Falco / Magali S. Pinho / Luis Cláudio Mendes / Roberto da C. Lima / Wido H. Schreiner
1007 cm-1 e 610 cm-1, que podem ser atribuídas
ao estiramento vibracional de S ligado ao anel
aromático. A ocorrência destas duas bandas principais, entre 1100 e 100 cm-1 são indicativas da
ligação de grupos (SO3-) ao anel benzênico. O
ombro em aproximadamente 1420 cm-1 pode ser
atribuído à protonação pelos íons (HSO4-) (PINHO, 2006; HUANG & MACDIARMID, 1993;
LUX, 1994).
FIGURA 6
Curvas de TGA/DTG da amostra de SPAni.
O aumento significativo da banda de absorção na
faixa de (3400 - 3200 cm-1) indica a maior absorção de umidade pela amostra de SPAni.
As curvas de TGA e DTG para a amostra de EB,
ilustradas na Figura 5 apresentam duas etapas de
degradação. A primeira, na faixa de 40 a 100 °C,
corresponde à perda de água. A segunda, com início em aproximadamente 350 °C, corresponde à
degradação do polímero (EB).
De forma análoga, o estudo de estabilidade térmica da amostra de SPAni na Figura 6 apresentou duas etapas de degradação. A perda de massa
na faixa de 237 a 300 °C foi atribuída à decomposição dos grupos sulfônicos, seguida pela decomposição do polímero. A presença dos grupos
sulfônicos resultou em redução da estabilidade
térmica do polímero, que para a EB foi de 586°C
e para a SPAni de 279 °C, correpondentes às temperaturas de taxa máxima de decomposição (DE
FALCO et al., 2009).
A Figura 7 ilustra as curvas de TGA/DTG do
polímero de engenharia utilizado (PEEK) para
produção das membranas com SPAni.
FIGURA 7
Curvas de TGA/DTG de PEEK.
FIGURA 5
Curvas de TGA/DTG da amostra EB.
Conforme os resultados ilustrados pela Figura
7, pode ser observada a maior estabilidade térmica de PEEK, em relação à amostra de SPAni,
tornando-se promissor seu emprego na obtenção
dos sistemas PEEK/SPAni para utilização como
membranas trocadoras de prótons.
58
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
Materiais Especiais
4. CONCLUSÕES
O grau de sulfonação de 0,41 determinado por
XPS, inferior ao valor teórico de 0,50, pode ser
atribuído à protonação, preferencial, dos grupos
imínicos, cujo percentual correspondeu a 30%.
Pelos resultados de FTIR foi confirmado que ambas a protonação e sulfonação ocorreram e que a
sulfonação acarretou no aumento da higroscopicidade de SPAni. A análise térmica evidenciou a
menor estabilidade térmica da amostra de SPAni
em relação à EB e PEEK.
REFERÊNCIAS
Chen, C. Y.; Rodriguez, J. I. G.; Duke, M. C.; Costa, R.
F. D.; Dicks, A. L.; Costa, J. C. D. Journal of Powder Source, 166,
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DE Falco, A. P. S.; PINHO, M. S.; MENDES, L. C. Thermal
properties of sulfonated PAni. In: Proceedings of Polychar
17-World Forum on Advanced Materials, Rouen, France, 2009,
21.
HUANG, W. S.; MACDIARMID, A. G. Optical properties of
polyaniline. Polymer, 34, 1833-1845 (1993).
LUX, F. Polymer, 35, 2915-2936 (1994). Properties of electronically conductive polyaniline: a comparison between
well-known literature data and some recent experimental findings.
Nagarale, R. K.; Gohil, G. S.; Shahi, V. K. Journal of
Membrane Science, 280, 389-396 (2006). Sulfonated poly(ether
ether ketone)/polyaniline composite proton-exchange
membrane.
PINHO, M. S. Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética em Matrizes de Policloropreno. 1a ed., Brasília:
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Sankir, N. D.; Mecham, J. B.; Goff, R. M.; Harrison, W.
L.; Claus, R. O. Smart Materials and Structures, 15, 200-203 (2006).
Novel ductile polyaniline/sulfonated poly(arylene ether
sulfone) composites.
WEI, X. L.; FAHLMAN, M.; EPSTEIN, A. J. Macromolecules, 32,
3114-3117 (1999). XPS study of highly sulfonated polyaniline.
XIANFENG, L.; DONGJU, C.; DAN X.; CHENGJI, Z.; ZHE,
W.; HUI, L.; HUI, N. Journal of Membrane Science, 275, 134-140
(2006). SPEEKK/polyaniline (PAni) composite membranes
for direct methanol fuel cell usages.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 54-59
59
Processos Decisórios
Sistema baseado em Inteligência Artificial para
Agrupamento e Classificação de Dados na Construção Naval
Karen Barañano Souza
Cursando o Mestrado em Engenharia Oceânica pela Universidade
Federal do Rio Grande – Rio Grande, RS – Brasil.
E-mail: [email protected]
Silvia da Costa Botelho
Doutora em Informática e Telecomunicações pelo Centre National de
la Recherche Scientifique – Paris – França.
Professora da Universidade Federal do Rio Grande – Rio Grande,
RS – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
O estudo objetivou desenvolver um sistema baseado
em inteligência artificial, com o uso de redes neurais
artificiais, mais especificamente de arquiteturas de
mapas auto-organizáveis, utilizando o algoritmo de
kohonen para agrupamento e multilayer perceptron
(MLP), backpropagation para classificação de dados, que
possibilitem a melhoria do agregamento das diferentes
partes estruturais dos navios, identificando os diversos
elementos de uma família de produtos e os agrupando,
conforme os atributos de projeto e produtivos, utilizando
os princípios da tecnologia de grupo de forma a mobilizar
recursos específicos em sua concepção e a minimizar
custos. A metodologia desenvolvida destacou a aplicação
de técnicas inteligentes, sendo descrita a função de
cada variável envolvida no sistema de agrupamento e
classificação de dados e, assim, contribuir nas funções de
planejamento, com ganhos de eficiência na manufatura,
melhoria no controle do processo e instruções
padronizadas, possibilidade para a formação de células
de manufatura, e, ainda, contribuir para o aumento da
qualidade e do controle na construção naval.
Palavras-chave
Inteligência Artificial. Redes Neurais Artificiais.
Agrupamento e Classificação de Dados. Construção
Naval.
System based on Artificial Intelligence
for Data Grouping and Classification in
Shipbuilding
60
Abstract
The study aimed to develop a system based on artificial
intelligence, with the use of artificial neural networks.
More specifically self-organizing maps architectures,
using Kohonen’s algorithm for grouping and multilayer
perceptron (MLP), backpropagation for data classification
which enables the improvement of aggregation of all
different structural parts of ships, identifying the various
elements of a family of products and grouping them,
concerning the project and productives attributes, using
the principles of group technology to mobilize specific
resources in its conception and minimize costs. The
developed methodology highlighted the application
of intelligent techniques, describing the function of
each variable involved in the system of data grouping/
classification. To contribute in functions planning, by
gaining in manufacturing efficiency,process improvement
and standardized instructions control, possibility for the
formation of manufacturing cells, and also to increase
shipbuilding quality and control.
Keywords
Artificial Intelligence. Artificial Neural Networks. Data
Grouping and Classification. Shipbuilding.
1. INTRODUÇÃO
No seu processo de retomada o setor de construção naval brasileiro necessita de condições específicas para competir no mercado internacional.
Velasco (1997) considera que, para não se repetir
os erros do passado, é preciso investir em condições organizacionais, incluindo, dentre outras
medidas, a modernização das práticas gerenciais
e dos métodos produtivos.
Diante do exposto, é importante decidir-se sobre o
melhor emprego dos recursos de produção, assegurando assim a execução do que foi previsto pelo
planejamento e pelo controle da produção, que,
em nível mais agregado, envolve a administração
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
Processos Decisórios
da capacidade de produção, de modo a atender as
flutuações da demanda. Para tal deve-se estabelecer em mais alto nível técnicas para mensurar a capacidade de produção e a demanda, técnicas que
discriminem os diferentes produtos e os serviços
que uma operação produtiva pode fazer, conciliando, no nível geral e agregado, a existência da
capacidade com o nível de demanda a ser satisfeita.
Tendo em vista as variações atuais no mercado
global de navios a médio e a longo prazo, caracterizando aos estaleiros uma demanda estocástica,
é importante decidir como a operação deve reagir
a estas flutuações (TORQUATO e SILVA, 2000).
É cada vez mais decisivo aumentar a colaboração
entre as principais áreas das empresas e isso é conseguido por meio da aplicação de novas tecnologias
(SWINK, 2006). Estas vêm permitindo a definição
mais precisa da capacidade do estaleiro a longo prazo, bem como a produção em série dos navios mais
demandados (graneleiros, petroleiros) e a produção
de navios com alta tecnologia embarcada.
Neste novo cenário tecnológico é característica
importante a definição de níveis de capacidade em
médio e em longo prazo em termos agregados, ou
seja, é importante tomar decisões de capacidade
amplas e gerais, não se preocupando com todos os
detalhes dos produtos e serviços oferecidos.
Neste contexto, surgem políticas agregadas de
gestão as quais assumem que o mix de diferentes produtos e serviços permanece relativamente constante durante o período de planejamento
adequando-se ao produto final de acordo com
sua complexidade.
Desta forma, é possível a criação de frameworks1 genéricos que atendam de forma satisfatória as variações do produto final. Estas estruturas genéricas
podem ser utilizadas de forma a otimizar os diferentes processos fabris associados a cada encomenda. Ferramentas tecnológicas tornam-se um comFramework – atua onde há funcionalidades em comum a
várias aplicações, porém para isso as aplicações devem ter algo
razoavelmente grande em comum para que o mesmo possa ser
utilizado em várias aplicações.
1
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
ponente importante para o sucesso da implantação
de estratégias de utilização de frameworks genéricos.
Naturalmente, os avanços tecnológicos exigirão níveis maiores de qualificação da mão de obra.
Na evolução do mercado da construção naval,
elenca-se um conjunto de ações que podem contribuir para o aumento de produtividade. Dentre
estas, pode-se citar a padronização de navios, que
possibilita uma maior velocidade de construção,
além da maior flexibilidade para atender a novos
escopos de projeto. Associadas à padronização,
novas práticas se instituem, como a adoção da
construção por blocos, em que seções inteiras são
pré-montadas. Esta pré-montagem inclui os equipamentos, eixos e redes pré-alinhadas, deixando
para a carreira apenas a montagem final, reduzindo a utilização da carreira ou dique, conduzindo
a um aumento significativo na produtividade do
estaleiro, com o uso do dique paralelamente por
outros navios (PINTO et.al., 2010).
A definição de grupos estruturais que otimizem
os atributos de projeto e produtivos é um desafio
associado à produção em blocos e por famílias. A
complexidade associada à diversidade de formas
e processos produtivos presentes a médio prazo
no estaleiro, conduz à necessidade do uso de métodos matemáticos para a categorização e a classificação dos conjuntos a serem agregados.
Recentemente, técnicas de Inteligência Artificial
vêm sendo empregadas na definição destes grupos (SOUZA, 2008) devido a sua capacidade para
tratamento de padrões complexos e não-lineares
(HAYKIN, 2001). Com base em tais técnicas,
metodologias podem ser desenvolvidas e aplicadas a diferentes estaleiros, levando em conta os
quesitos customizados de cada canteiro e modelo
de produção.
Desta forma, o objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema baseado em inteligência artificial que possibilite a melhoria do agregamento
das diferentes partes estruturais dos navios, identificando os diversos elementos de uma família
de produtos e os agrupando de acordo com os
atributos de projeto e produtivos, utilizando os
61
Karen Barañano Souza / Silvia da Costa Botelho
princípios da tecnologia de grupo de forma a mobilizar recursos específicos (Células de Manufatura) em sua concepção e minimizar custos.
2. MÉTODO
A metodologia proposta para a concepção de um
modelo de agrupamento e para a classificação
de famílias de produtos intermediários foi feita
a partir de um Banco de Dados de Histórico de
Produtos e com a descoberta do número de grupos de famílias presente no universo de amostragem (banco de dados de histórico). O reconhecimento de padrões feito por categorização
(Clustering), utilizando os mapas auto-organizáveis de Kohonen para apresentação dos dados e as
classes obtidas por meio do reconhecimento de
padrões do SOM são utilizadas como metas para
treinamento de uma rede supervisionada MLP –
Backpropagation – para treinarem a rede.
A metodologia foi implementada utilizando a
ferramenta matemática MATLAB – MATriz LABoratory –, sua escolha se deve ao seu extenso
conjunto de rotinas para a obtenção de saídas
gráficas, boa interface com outros sistemas e ferramentas adequadas ao estudo de sistemas de classificação de famílias de produtos intermediários
baseado em análise de sistemas inteligentes.
3. DADOS
Como entrada utiliza-se um banco de dados que
possui um total de 30 blocos que pertencem a um
organismo paralelo ao grande bloco (anel) de um
tanque Suezmax. Cada um dos blocos de construção com seis variáveis (RD=6): comprimentos
de solda (na posição e vertical), peso, volume e
número de painéis e submontagens, conforme
Tabela 1.
TABELA 1
‘Blocks’ (Dados).
Fonte: Souza, p. 98, 2009.
62
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
Processos Decisórios
A base de dados é limitada devido à disponibilidade de informações, no entanto os códigos foram
desenvolvidos assumindo que bases de dados de
maior porte poderiam estar disponíveis.
FIGURA 1
Esquema dos blocos de construção.
Fonte: ONIP, 2008.
3.1. Implementando o Módulo Agrupador SOM
Para a definição automática das famílias presentes
no histórico foi utilizada a SOM Toolbox, uma
implementação do mapa auto-organizável de Kohonen em Matlab.
Esta toolbox2 pode ser utilizada para pré-processamento dos dados, inicialização e treinamento
do mapa auto-organizável em várias topologias
2
Toolbox – Pacote de trabalho –.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
e visualização dos dados e do mapa após o treinamento.
No aprendizado não supervisionado a rede analisa os padrões, as regularidades e as correlações
para agrupar o conjunto de dados em classes
(Clusters), a partir da matriz ‘Blocks’ (Tabela 1).
O experimento é repetido para um total de N vezes, cada vez deixando de fora um exemplo diferente para a validação (BURNHAM; ANDERSON,
2004). Como resultado obtemos o mapa da Figura 2.
63
Karen Barañano Souza / Silvia da Costa Botelho
FIGURA 2
Clusterização dos Dados.
O próximo passo é usarmos o mapa resultante,
que define o número ideal de classes (Tabela 2)
como entrada no algoritmo de classificação Backpropagation.
TABELA 2
Número ideal de Classes.
64
O número ideal de classes está associado ao número de linhas de produção específicas que serão
planejadas para implementação de um projeto.
3.2. Classificador: Algoritmo Backpropagation
A partir da definição do número ideal de classes,
conforme Tabela 2, é utilizado o modelo de rede
neural (RN) MLP-BP para treinamento dos dados. Após a validação da RN para um conjunto
de dados específico, é necessário que sejam salvos
sua topologia e seus principais parâmetros de conexão. Feito isso, é possível classificar qualquer
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
Processos Decisórios
novo conjunto de dados sem esforço adicional de
treinamento e de validação.
A Tabela 3 apresenta o comportamento de suas
saídas para o conjunto de treinamento, validação
e teste.
4. RESULTADOS
Uma vez finalizado o processo de aprendizado,
a rede escolhida é utilizada para classificação. A
Tabela 4 apresenta a saída desta rede para o conjunto completo de blocos presentes no histórico.
Verifica-se que a rede classificou corretamente
todos os elementos existentes, incluindo aqueles
utilizados para aprendizado, validação e teste.
Os testes são baseados em um histórico real de
informações estruturais de blocos de um navio
Suezmax. Uma etapa de obtenção automática das
famílias foi inicialmente realizada com a rede
SOM.
Em seguida, de posse dos grupos, uma MLP foi
desenvolvida para classificar o histórico de bloco em uma das famílias resultantes. Vários testes
com a rede SOM, verificando a sua sensibilidade
frente a vários parâmetros, foram realizados. A
melhor rede foi escolhida fornecendo o conjunto
de famílias presentes no universo de entrada. A
rede SOM forneceu a base de treinamento para
o histórico de blocos. Cada bloco foi associado a
uma família.
Utilizou-se a rede MLP para aprender esta associação. O avaliador de desempenho utilizado para
avaliar os resultados das redes neurais simuladas
foi o MSE.
Nas diversas redes testadas a que obteve melhor
capacidade de generalização dos dados apresentados foi a que apresenta a topologia de 15 neurônios na camada oculta, taxa de aprendizado
(lr) de 0,1, algoritmo de treinamento ‘traingd’, de
aprendizagem ‘learngdm’ e função de ativação e
de saída – tangente hiperbólica sigmóide‘tansig’3.
A partir dos dados específicos presentes no histórico, obteve-se a topologia e os parâmetros da
melhor RN que classificou seus elementos. Esta
pode ser usada para classificar qualquer novo
Os demais valores não citados são Default’s da ferramenta
utilizada para treinamento, validação e teste.
3
TABELA 3
Comportamento da MLP frente ao aprendizado.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
65
Karen Barañano Souza / Silvia da Costa Botelho
TABELA 4
Resultados obtidos frente às diferentes taxas de aprendizado.
conjunto de dados sem esforço adicional de treinamento.
5. CONCLUSÃO
O principal objetivo deste trabalho foi utilizar os
conhecimentos de planejamento e de gestão da
66
produção na construção naval aliados a modernas técnicas gerenciais: clusterização e classificação de dados, com a utilização de ferramentas
de Inteligência Artificial (RN), permitindo, desta
forma, novos entendimentos sobre as possibilidades existentes para a classificação de grandes
conjuntos de dados dentro do ambiente produtivo na construção naval.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
Processos Decisórios
Os métodos utilizados fazem uso de Mapas Auto-organizáveis para obtenção das principais famílias de produtos e Redes Multi-Camadas para
a classificação automática de novos blocos. Os
conceitos de SOM foram originalmente apropriados ao processo de definição de grupos de famílias na construção naval, tendo sido especificados
os requisitos de entrada e saída dos sistemas envolvidos, frente às bases de dados presentes em
um estaleiro.
A sensibilidade da SOM e MLP a vários parâmetros foi analisada. Em todos os testes as redes
apresentaram resultados adequados. Os resultados da avaliação realizada validaram a proposta,
indicando a possibilidade de seu uso em situações
reais de aplicação aos sistemas de produção de
estaleiros, contribuindo para a adoção da filosofia
de tecnologia de grupo e manufatura celular nos
canteiros de obras.
REFERÊNCIAS
HAYKIN, S. Redes Neurais: Princípios e Práticas. 2ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2001.
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PINTO, M. M. et.al. Work Shop CEGN\PPCPE na Construção
Naval. Centro de Estudos em Gestão Naval-CEGN. Disponível
em: <http://www.gestaonaval.org.br/arquivos/Documentos/
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pdf>. Acessado em: 13 mar. 2010.
SOUZA, C. M. et al. Shipbuilding Interim Product Indentification and Classification System Based on Intelligent
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SOUZA, C. M. Técnicas Avançadas em Planejamento e Controle da Construção Naval. Rio de Janeiro: Coppe/UFRJ, 2009.
SWINK, M. Building Collaborative Innovation Capability. Research Technology Management, Indiana, USA, 2006.
mar./apr. p. 37-47.
TORQUATO, P .R. G.; SILVA, G. P. Tecnologia e estratégia:
uma abordagem analítica e prática. São Paulo: Revista de Administração, 2000. V. 35, n.1, p.72-85, jan./mar.
VELASCO, L. O. M. de L.; ERIKSOM, T. Informe Infra-estrutura. Área de projetos de infra-estrutura. BNDES. Agosto,
1997, n. 49.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 60-67
67
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Redução de Seção Reta Radar com
Emprego de Metamateriais
Capitão-de-Corveta Márcio Martins da Silva Costa
Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto
Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP – Brasil.
Centro de Guerra Eletrônica da Marinha – Niterói, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
Capitão Aviador Luis Felipe de Moura Nohra
Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto
Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP – Brasil.
Estado-Maior da Aeronáutica – Brasília, DF – Brasil.
E-mail: [email protected]
Tenente Coronel José Everardo J. Ferreira
Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto
Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP – Brasil.
Especialista em Comunicações, cursando o Doutorado em
Telecomunicações e Telemática pela Universidade Estadual de
Campinas – Campinas, SP – Brasil.
Estado-Maior da Aeronáutica – Brasília, DF – Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Neste trabalho são apresentados os conceitos de
metamateriais, a relevância das pesquisas realizadas
e suas tendências. O impacto operacional de sua
aplicabilidade para a defesa é verificada por meio de uma
modelagem simplificada, onde a seção reta radar de uma
plataforma é considerada. Os resultados alcançados
mostram uma redução significativa na probabilidade de
detecção de um meio que empregue esta tecnologia
em comparação a outro que faz uso de técnicas furtivas
convencionais.
Palavras-chave
Metamaterial. Left-Handed Metamaterial. Seção Reta
Radar. Processamento de Sinais. Detecção de Alvos.
Radar Cross Section Reduction with
Employment of Metamaterials
Abstract
This paper presents the metamaterials concepts, the
relevance of research conducted and its trends. The
operational impact of its applicability for Defense is
verified by a simplified model, where the Radar Cross
Section (RCS) of a platform is considered. The results
have showed a significant reduction in the probability
of detection of a medium that employs this technology
68
in comparison to one that uses conventional stealth
techniques.
Keywords
Metamaterial. Left-Handed Metamaterial. Radar Cross
Section (RCS). Signal Processing. Targets Detection.
1. INTRODUÇÃO
A busca de estruturas artificiais com a finalidade
de alcançar propriedades diferentes das
existentes na matéria não se limita ao século
XXI (ENGHETA, 2003). Desde o final do
século XIX, mais precisamente em 1898, Jagadis
Chunder Bose, físico bengalês, foi o primeiro a
realizar experiências com estruturas artificiais na
faixa de micro-ondas. Em 1914, Karl F. Lindman
demonstrou o efeito de um meio Chiral em ondas
eletromagnéticas (LYNCH, 2004). Alguns anos
depois, em 1948, Winston E. Kock, por meio
de um arranjo periódico de esferas condutoras,
discos e fitas, demonstrou a possibilidade de
adaptar o índice de refração efetivo em meios
artificiais, nos laboratórios da AT&T Bell.
Contudo, foi o visionário físico russo Victor
Georgievich Veselago que em 1967 apresentou
as primeiras especulações teóricas acerca de
certas substâncias não encontradas na natureza
contendo simultaneamente permissividade e
permeabilidade negativas e sendo, tais substâncias,
denominadas Left-Handed Metamaterial (LHM)
(VESELAGO, 1968).
Em 1999, David R. Smith, da Universidade da
Califórnia, e John Pendry, do Colégio Imperial
de Londres, comprovaram, experimentalmente,
a teoria de Veselago, fazendo uso de uma
estrutura baseada em um arranjo periódico
contendo inclusões com geometria do tipo
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Split Ring Resonators (SRR) combinado com um
arranjo periódico de segmentos condutores
tipo “I” em substrato FR4 (Flame Retardant
4), onde caracterizaram a permissividade e a
permeabilidade, ambas negativas, bem como o
índice de refração, também negativo, ratificando,
dessa forma, a predição teórica de Veselago, ou
seja, os efeitos reversos da radiação VavilovCherenkov e de Doppler, inversão da Lei de Snell,
oposição nos sentidos das velocidades de fase e
grupo (vetor de Poynting) e índice de refração
negativo na interface entre o meio RH (Right
Handed) e o meio LH (Left Handed) (SMITH et
al., 2000).
A aplicação potencial de metamateriais é bem
diversificada. A literatura especializada já possui
abordagens em fotônica, acústica, superlentes,
novas antenas com propriedades superiores
e alta diretividade, nanolitografia óptica e
nanocircuitos, mantas da invisibilidade (metacoatings) que podem tornar os objetos invisíveis
(SARYCHEV e SHALAEV, 2007) o que sugere,
também, a sua aplicabilidade em área de Defesa,
ou seja, o uso de metamateriais como material
furtivo, sendo uma tendência inovadora na
tecnologia Stealth, aplicada em navios, aviões
tripulados ou não (VANT), satélites, dentre
outros.
De acordo com registros nas literaturas do tema
em comento, ao longo dos últimos dez anos têm
surgido outros tipos de substrato e de inclusões
como, por exemplo, geometrias retangular,
hexagonal, Omega Like.
Para que uma plataforma seja considerada
Stealth, duas qualidades devem ser exploradas: as
características eletromagnéticas de material que
reveste a plataforma e a geometria da plataforma
frente às ondas eletromagnéticas incidentes
(LINDELL et al.,1992).
Em 2010, foi introduzida, na literatura
especializada da área, uma nova inclusão com
geometria triangular equilátera de cobre impressa
numa placa de circuito impresso (Printed Circuit
Board - PCB) com substrato polytetrafluroethylene
(PTFE) adicionado com fibras de vidro, e que,
ao ser testado experimentalmente, comportou-se
como uma lente ao longo da Banda X, sugerindo,
entre outros, melhor diretividade em antenas,
ressonadores de tipo Fabry-Perot, além de variar
o índice de refração (EVERARDO et al., 2010).
Considerando este breve histórico, percebese que na virada do século XX para o XXI o
assunto ganhou nova dimensão e atenção da
comunidade acadêmica, saindo da teoria para
a demonstração. A publicação do assunto em
respeitáveis periódicos aumentou de dezenas para
milhares de artigos publicados, em pouco mais
de sete anos, destacando-se a presença de países
como os Estados Unidos, Canadá, Portugal,
França, Itália, Espanha, Alemanha, Reino Unido,
Finlândia, Rússia, China e Japão (SARYCHEV e
SHALAEV, 2007) .
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
Para efeito deste artigo foi considerada a aplicação
de metamateriais nas superfícies de aeronaves,
visando a diminuição da sua Seção Reta Radar
(SRR), objetivando a degradação da capacidade
de detecção dos radares inimigos. Na Figura 1,
a seguir, são apresentadas duas aeronaves em
aproximação a uma força naval. As semiesferas
centradas nos navios ilustram as alterações
sofridas na capacidade detecção dos seus radares
em virtude das diferentes Seções Reta Radar das
aeronaves em oposição.
Ressalta-se que neste trabalho não foi
desenvolvida uma modelagem numérica
envolvendo os materiais de revestimentos dos
alvos. A metodologia empregada pautou-se
em buscar na literatura da área resultados e
parâmetros possíveis de serem incorporados
em uma modelagem de processamento de sinais
radar, a fim de verificar o impacto operacional
da aplicação de metamateriais em cenários de
defesa.
69
Márcio Martins da Silva Costa / Luis Felipe de Moura Nohra / José Everardo J. Ferreira
Figura 1
Capacidade de detecção de radares contra aeronaves com diferentes RCS.
2. CONCEITO DE METAMATERIAIS
O termo Metamaterial foi criado por Rodger
M. Walser (VALANJU et al., 2002), em 1999,
na Universidade do Texas em Austin/USA.
Metamateriais são estruturas artificiais com
propriedades eletromagnéticas únicas ou superiores
aos materiais convencionais. A palavra “meta” em
Grego significa além de, acima de, e, neste sentido,
o nome metamaterial significa além ou acima dos
materiais convencionais, daqueles encontrados
na natureza e que possuem permissividade e
permeabilidade positivas, contidas no primeiro
quadrante, são os chamados de Materiais “destros”
ou conhecidos universalmente como RH.
Metamateriais são todos aqueles cuja
permissividade e permeabilidade diferem dos RH.
Por exemplo, um material cuja permissividade
seja negativa e permeabilidade positiva é um
metamaterial – 2º quadrante da Figura 2 –
(EVERARDO et al., 2008). Um determinado
material com permissividade positiva, porém com
permeabilidade negativa (4oquadrante) também é
um metamaterial. No entanto, o mais especial
de todos é exatamente o dual dos RH que são os
materiais “canhotos” conhecidos universalmente
por LH e que a permissividade e permeabilidade
estão contidas no terceiro quadrante.
70
Figura 2
Permissividade x Permeabilidade (e x m) (EVERARDO
et al., 2008).
3.
MODELAGEM
CONSIDERADO
DO
CENÁRIO
Para verificar a viabilidade de aplicação desta
nova tecnologia furtiva, foi elaborada uma
modelagem simplificada de um cenário naval
onde duas aeronaves x e y voando em ala, sendo
uma revestida com um metamaterial absorvedor
e outra sem emprego de algum tipo de tecnologia
furtiva, realizam manobra de ataque sobre uma
fragata dotada de um Radar Doppler Pulsado, de
acordo com a Figura 3.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Conforme descrito na introdução deste artigo,
ressalta-se que a modelagem numérica considerou
somente o processamento de sinais radar, de
acordo com modelos consagrados na literatura
disponíveis nas referências (VAN TREES, 1968;
SKOLNIK, 1988).
no qual fs é a frequência da portadora para um
comprimento de onda e .
A refletividade complexa
do alvo pontual é
expressa por
Figura 3
Cenário Considerado.
em que
(4)
é a sua respectiva fase.
Desconsiderando o efeito Clutter, foi adicionado
um ruído térmico circularmente
a
gaussiano, ergódico, passa-faixa e de média nula,
representado por
, alterando a expressão (3)
para
(5)
Para a Seção Reta Radar dos alvos foi considerado
(PEEBLES, 1998)
3.1. Modelagem dos Sinais
Considera-se que o sinal transmitido (VAN
TREES, 1968; SKOLNIK, 1988) pelo radar da
fragata seja expresso por
(1)
em que Es é a energia do sinal passa-faixa e
equivale à envoltória complexa de s ( t ),
representada por
(6)
no qual d é a distância de cada aeronave x e y à
fragata,
é a potência por unidade de área do
espalhamento de
na recepção da antena do
radar da fragata e
é a potência por unidade
de área de
incidente nas aeronaves.
A RCS normalizada considerada passou a ser:
(2)
no qual Ts é a duração do pulso.
Partindo do princípio de que haja um sinal eco,
de acordo com o nível 2 da Teoria de Detecção
apresentada por Van Trees (1968), o sinal
considerado passa a ser
(3)
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
(7)
3.2. Simulação
Para realizar a simulação, foi considerada a
abordagem realizada por Oraizi (2008), quando
foram empregadas duas formas idênticas de
cilindro de vidro, sendo uma revestida com
metamaterial e outra sem revestimento. Em
71
Márcio Martins da Silva Costa / Luis Felipe de Moura Nohra / José Everardo J. Ferreira
nossa modelagem simplificada os cilindros foram
substituídos pelas duas aeronaves, optando-se por
centralizar a frequência da portadora em 10 GHz.
Nesta faixa da Banda X, Oraizi obteve uma redução
de 40 dB na Seção Reta Radar dos metamateriais,
que foi também aplicada à nossa aeronave com
revestimento furtivo (ORAIZI, 2008).
Foram consideradas 600 realizações na
simulação, divididas equitativamente em dois
eventos distintos. No primeiro caso, ambas as
aeronaves não possuíam revestimentos furtivos.
No segundo, a RCS normalizada de uma delas
foi reduzida em 40 dB, a fim de se empregar os
resultados de Oraizi na modelagem simplificada.
A Figura 5 apresenta o sinal do vídeo bruto
radar referente à segunda situação, gerada sob as
mesmas condições, e na qual somente uma das
aeronaves é apresentada.
Figura 5
Segundo caso – vídeo bruto radar após 300 realizações
e com uma das aeronaves revestida com metamaterial.
4. RESULTADOS
A Figura 4 apresenta o sinal do vídeo bruto radar
referente à primeira situação proposta, onde
podem ser identificados nitidamente as duas
aeronaves do cenário considerado. Para melhor
identificá-las, foi considerada uma situação
confortável de detecção com uma relação sinalruído (S/N) de 10 dB.
Figura 4
Primeiro caso - vídeo bruto radar após 300 realizações
e com ambas as aeronaves sem revestimento de
metamateriais.
Em seguida, empregou-se como método de
integração convencional a aplicação de um
integrador linear aos sinais ecos recebidos. Os
resultados dos sinais de vídeo são apresentados
nas Figuras 6 e 7, respectivamente, seguindo a
ordem das situações propostas.
Em ambas as figuras destacam-se pequenos falsos
alarmes e a detecção da aeronave representada
por um sinal de maior amplitude. Nota-se, no
segundo caso, nenhuma presença da aeronave
revestida com metamaterial.
No primeiro caso, a probabilidade de detecção
(Pd ) e a probabilidade de falso alarme (Pfa ) obtidas
das duas aeronaves foram, respectivamente,
3,3x10-7 e 1,2x10-5.
72
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica
Figura 6
Primeiro caso – sinal de vídeo radar com integração
linear após 300 realizações e com ambas as aeronaves
sem revestimento de metamateriais.
Na segunda situação, a probabilidade de
detecção (Pd ) passou a 0,2x10-7 para uma mesma
probabilidade de falso alarme (Pfa ) de 1,2x10-5.
Ou seja, houve uma redução de 93,9% da
capacidade de detecção da fragata diante do
cenário considerado.
Note que a redução de probabilidade não foi de
50%, devido ao fato de que a adição do ruído
térmico circularmente gaussiano gerou falsos
alarmes aleatórios nas 512 amostras em azimute
e 1024 amostras em distância a cada varredura
radar, ou seja, a cada realização.
5. CONCLUSÕES
Figura 7
Segundo caso – sinal de vídeo radar com integração
linear após 300 realizações e com uma das aeronaves
revestida com metamaterial.
A aplicação de metamateriais em áreas de defesa
mudaria completamente a parte do cenário
operacional afeta à Guerra Eletrônica. Conceitos
técnicos e doutrinários sofreriam um grande
impacto fruto na presença desta tecnologia
furtiva de maior potencial do que as empregadas
até então.
Isso justifica o elevado interesse de respeitáveis
membros da comunidade acadêmica e de órgãos
governamentais, bem como de órgão do setor
privado, em incrementar as pesquisas na referida
área.
O presente artigo pretende evidenciar esta linha
de pesquisa na Guerra Eletrônica e os possíveis
impactos operacionais em áreas de defesa, tendo
em vista a perspectiva promissora de novos
desdobramentos tecnológicos voltados para o
uso dos metamateriais.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
73
Márcio Martins da Silva Costa / Luis Felipe de Moura Nohra / José Everardo J. Ferreira
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Salient Features, and New Trends. MTT – S Digest, IEEE,
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Sons, Inc., 766 p., 1998.
8. SARYCHEV, Andrey K.; SHALAEV, Vladimir M.
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Simultaneously Negative Permeability and Permittivity.
Physical Review Letters, 84–18, pp. 4184 – 4187, May 2000.
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Singapore: McGraw-Hill Book Co, 1988.
11. VALANJU, P. M.; WALSER, R. M.; VALANJU, A. P. Wave
Refraction in Negative – Index Media: Always Positive
and very Inhomogeneous. Vol. 88, Nº. 18, Physical Review
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12. VAN TREES, H. L. Detection, Estimation, and
Modulation Theory – Parts I. New York: John Wiley and Sons,
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13. VESELAGO, V. G. The electrodynamics of substances
with simultaneously negative values of m and e. Sov. Phys.Usp., Vol. 10, Nº. 4, 509-514, 1968.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 68-74
Contribuição Especial
Inteligência Artificial na Marinha: um Caminho a ser trilhado
Capitão-de-Fragata Dilson Godoi Espenchitt
Doutor em Sistemas Computacionais pela Universidade Federal do
Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha – Brasília,
DF – Brasil.
Email: [email protected]
1. INTRODUÇÃO
Em razão da disponibilização, aquém do desejável, dos seus recursos, a Marinha do Brasil (MB)
vê-se cada vez mais compelida a buscar otimização para o cumprimento das suas tarefas. Todavia, cumpre ressaltar, que tal otimização não deve
comprometer as conquistas já alcançadas e tão
pouco restringir as iniciativas de novas conquistas
nas esferas: administrativas, tecnológicas e operativas.
O treinamento em campo e o aperfeiçoamento
do pessoal da MB, a cada dia, ficam mais caros,
portanto, sem deixar de considerar as restrições
orçamentárias, é preciso buscar soluções que
permitam à instituição manter-se sempre pronta
a atender às tarefas do Poder Naval, um dos componentes do Poder Militar, o que é, sem dúvida,
tarefa que compete à Marinha do Brasil.
A Inteligência Artificial (IA), ferramenta já amplamente reconhecida como fator de melhoria
do desempenho em diversas atividades da vida
civil, pode ser usada com os mesmos propósitos
na vida militar, no sentido de prover, a um custo
relativamente baixo, os recursos que propiciem
o alinhamento do desenvolvimento tecnológico
com o contexto financeiro.
A proposta precípua deste artigo é apresentar
uma parte significativa dos potenciais de utilização da Inteligência Artificial, considerada, aqui,
uma prática tecnológica viabilizadora da melhoria
dos processos desenvolvidos pela MB.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
Ainda no presente artigo, demonstrar-se-á a
possibilidade de utilização da IA no auxílio ao
adestramento, ao planejamento e ao teatro de
operações, buscando, desse modo, a otimização
dos recursos materiais, humanos, bem como a
otimização do tempo destinado à realização das
tarefas.
2. O QUE É INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
O conceito de inteligência é relativo à construção
de estruturas cognitivas do ser humano, responsável pela formação da razão, característica peculiar ao homem e um dos seus diferenciais diante
dos demais animais. Como o ser humano é o único animal racional, diz-se que ele é o único ser
inteligente. [6]
Há estudos científicos que atribuem o conceito
de inteligência a outros animais e, até mesmo, a
vegetais, mas obviamente, esse não é um conceito
comparável ao da Inteligência Humana. Pode-se
dizer, isto sim, que esse conceito de inteligência
é relativo à analise em questão: essa inteligência
irracional seria, portanto, a capacidade de adaptação de um ser vivo às circunstâncias do seu meio
ambiente. Assim, pode-se utilizar esse conceito
para a máquina, definindo, então, uma Inteligência de Máquina.
Essa inteligência, a princípio, era entendida como a
capacidade genética de um instrumento de solução
de problemas. Por capacidade genética entenda-se,
aqui, todo o conhecimento embutido em nível de
hardware e de software instalado, o que permite um
determinado conjunto de estados possíveis de funcionamento por meio de programas. A inteligência
de máquina seria, então, um tipo de inteligência
construída pelo homem, portanto, uma Inteligência Artificial.Atualmente, o conceito de IA abarca
mais do que a inteligência de máquina.
75
Dilson Godoi Espenchitt
Pretende-se, com a IA, capacitar o computador
com um comportamento inteligente. Entende-se por comportamento inteligente atividades que
somente um ser humano seria capaz de efetuar.
Dentre estas atividades podem ser citadas aquelas
que envolvem tarefas de raciocínio (Planejamento
e Estratégia), percepção (reconhecimento de imagens, sons, etc.), auto aprendizado entre outras.
3. DESENVOLVIMENTO DA IA
A IA não é recente. Sua história inicia-se nos idos
de 1940, com uma pesquisa em torno de sequências de estratégia e da análise do funcionamento
do cérebro humano com o objetivo de formalizar
o seu comportamento e, para tal, procurava-se
entender o mecanismo de aprender e de pensar
do cérebro para, então, construir meios capazes
de reproduzi-lo .
Esses dois ramos de pesquisa, sequência de estratégia e análise de funcionamento, eram dissociados entre si, sem nenhuma preocupação com
a construção de uma Inteligência Artificial. Buscavam, apenas, novas alternativas de utilização do
computador, ainda em projeto.
Com o passar dos anos, foram sendo distinguidas
duas linhas de pesquisa: uma biológica, calçada
em torno do funcionamento do cérebro e dos
neurônios e outra, a psicológica, fruto do estudo
da cognição e do raciocínio.
Durante a Segunda Guerra Mundial, foi desenvolvida uma “arma” que, apesar de não ser capaz
de matar por seus próprios recursos, possibilitou
a vitória aliada. Essa máquina, um protótipo de
um computador, era capaz de decifrar códigos, de
fazer cálculos, de computar e a sua criação possibilitou o surgimento de um outro artefato, este
sim mortal, que dependia de inúmeros cálculos e
de exatidão de resultados para seu funcionamento: a bomba atômica. [2]
Não somente para cálculos o computador foi utilizado, mas também em outros recursos voltados
76
para a guerra: o planejamento de ações estratégicas de exércitos e de forças navais. Simulações do
avanço de tropas eram possíveis informando-se
as variáveis envolvidas na ação, permitindo, assim, a elaboração automática de diversas hipóteses de estratégias. Tal como um jogo de guerra,
combinações de possibilidades eram simuladas.
Deu-se, então, o início dos jogos por computador, utilizados também para situações mais reais
além de jogos de dama e de xadrez. Eis, aí, o início da Inteligência Artificial tradicional, baseada
em regras, com limitação de apenas lidar com os
parâmetros já criados, ou seja, percorrendo caminhos já descritos.
No entanto, só esta construção não bastava. Havia um outro ramo de pesquisas interessado na
realização da representação das células nervosas
do ser humano no computador, uma vez que o
cérebro é formado de neurônios e é ele que realiza
o processamento das informações do corpo. Essa
linha de pesquisas motivou o desenvolvimento de
uma formalização matemática para o neurônio,
estabelecendo o “neurônio formal”. Essa formalização permitiu a realização de diversas concepções matemáticas sobre a forma de aprendizado
dos neurônios, ou seja, como os neurônios armazenam informações. Isso derivou, na década seguinte, em modelos de “redes neurais artificiais”.
Modelos que podem extrapolar dos caminhos já
percorridos e apontar novos trajetos.
Na década de 1950, houve a introdução da programação por meio de comandos de lógica, que
proporcionaram um grande avanço para a elaboração de sistemas que utilizassem esquemas de
raciocínio. Foi, então, possível o aperfeiçoamento do que já existia: jogos, aplicações matemáticas
e simuladores. O avanço foi tanto, que nos anos
1960 houve uma euforia diante do potencial tecnológico vislumbrado.
Passando à história da linha biológica, essa década foi de grande sucesso, dada a implementação
do primeiro simulador de redes neurais artificiais
e do primeiro neurocomputador. A partir do moRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
Contribuição Especial
delo matemático de MacCulloc e Pitts (1943) e da
teoria de aprendizado de Donald Hebb (1949),
foi possível, nessa década, a união desses conhecimentos no modelo de rede neural artificial chamado Perceptron. [5]
Na linha biológica prosseguiram os desenvolvimentos de conceitos relativos às redes neurais
artificiais, com o aprimoramento do modelo Perceptron e o surgimento de uma variante: o Adaline. Ambos utilizavam as mesmas ideias de rede,
porém a lógica de aprendizado os diferenciava.
Para a linha psicológica, do raciocínio, ocorreu
a descoberta da Inteligência Artificial. Utopicamente, os pesquisadores dessa linha acreditavam
ser possível realizar tarefas humanas, tais como
o pensamento e a compreensão da linguagem,
por meio do computador. Realmente acreditava-se ser possível a reprodução pura e simples do
raciocínio humano no computador.
Nesse sentido, foi tentada a interpretação da linguagem no computador, tal como compreendida
pelo ser humano. No ímpeto da racionalização
imposta pelo desenvolvimento de suas pesquisas,
acreditaram que apenas por meio do raciocínio
seria possível a interpretação da linguagem. Obviamente a linguagem humana não é fruto apenas
da razão, mas de todo o aparato sensorial e lógico
do ser humano. [4]
Na década de 1970 houve uma redução na velocidade das pesquisas da vertente biológica, mas
apesar disso, houve pesquisadores que, por outros caminhos, chegaram a novas concepções
de redes neurais artificiais. Essas concepções
analisavam o aprendizado de informações como
sendo fruto de uma união das potencialidades de
redes de neurônios interagindo entre si. Nasciam,
assim, as redes neurais representadas na forma de
mapas cerebrais, onde não havia o aprendizado
de um neurônio, mas sim de toda uma rede, por
intermédio do compartilhamento de recursos.
Já na linha psicológica, estudos mais aprofundados demonstraram o óbvio: que não seria possíRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
vel a representação, numa máquina, dos estados
mentais humanos responsáveis pelo pensamento, ao menos naquele estado da tecnologia. A saída para essa linha de desenvolvimento era dada
por uma empresa: a Rand Corporation. Foi da
sua equipe de pesquisa que partiram os sistemas
especialistas, os quais foram responsáveis pela
ampliação da Inteligência Artificial Tradicional.
[4]
As redes neurais artificiais tiveram seu reconhecimento recuperado por intermédio do físico Jonh
Hopfield, que em 1982 provou ser possível a simulação de um sistema físico por meio de um
modelo matemático baseado na teoria das redes
neurais. [5]
Assim, em 1986, especialistas das mais diversas
áreas reuniram-se para validar as pesquisas em
torno das redes neurais, possibilitando, então, a
volta da pesquisa nessa linha.
Uma das formas de recuperação do prestígio das
redes neurais foi a proposta de um modelo, chamado Backpropagation, que ampliava o potencial
do Perceptron de modo a permitir a superação
das limitações do modelo primitivo. [5]
Enquanto isso, na IA tradicional, ampliavam-se
as técnicas e as aplicações dos sistemas especialistas. Além disso, houve o interesse de trabalho
conjunto com outras áreas, tais como interfaces
inteligentes, sistemas de apoio à decisão, controle
de robôs, etc.
Nos idos de 1990 as redes neurais tiveram uma
explosão exponencial de aplicações e de desenvolvimento de modelos. A cada ano foram
centenas de propostas de novos modelos ou de
aperfeiçoamento dos já existentes, tal o interesse
pela área. A partir daí consolidaram-se as redes
neurais como parte integrante do estudo da IA
propriamente dita e, ainda, estabelece-se o reconhecimento dos paradigmas biológico e psicológico como complementares e necessários para
sistemas mais evoluídos.
77
Dilson Godoi Espenchitt
Dessa forma começam a ser construídos, ainda
na década de 1990, os chamados Sistemas Híbridos, resultantes da união das concepções das
duas linhas de pesquisa, permitindo, assim, a
construção de grandes sistemas que pretendiam
abranger uma forma mais completa de representação do comportamento humano, ideal este, da
própria IA.
Atualmente, a IA é estudada num campo de estudos multidisciplinar abrangendo a Computação, a
Engenharia, a Psicologia, a Biologia, a Matemática e a Cibernética e buscando construir sistemas
que apresentem comportamento inteligente e
que desempenhem tarefas com um grau de competência equivalente ou superior ao grau com que
um especialista humano as desempenharia.
Portanto, pode-se afirmar que o campo de IA
tem como objetivo o contínuo aumento da “inteligência” do computador, pesquisando, para isso,
também, os fenômenos da inteligência natural.
Para esse fim, IA é definida, aqui, como uma coleção de técnicas suportadas por computador, de
modo que seja possível emular algumas capacidades dos seres humanos.
4. OBJETIVOS DA IA
Pode-se dizer que a grande atividade de IA é a
solução de problemas, usando o conhecimento
e manipulando-o e a variedade dos problemas
tratados por ela é tão grande que se torna difícil
limitá-los.
Seria mais fácil e mais preciso definir o escopo de
IA considerando-se as atividades realizadas pela
comunidade de IA, mas essa definição recursiva
seria insatisfatória no uso de senso comum, portanto, em lugar de uma definição é aplicável uma
explicação informal.
De modo simplista, são do domínio da IA, as tarefas humanas relativas à aquisição de informações (sentidos), processamento de informações
(pensamento) e ações no meio exterior.
78
O conceito de IA varia com o tempo e com o
contexto.
Como fazê-lo?
• Simulando a inteligência humana em situações
pré-determinadas;
• criando mecanismos que apresentem comportamento inteligente e
• reproduzindo a inteligência humana em um
ambiente computacional.
Embora as aplicações da IA sejam muito mais limitadas do que a inteligência humana, elas são de
grande interesse para o homem pelas seguintes
razões:
• preservar o conhecimento em uma especialidade que pode ser perdida pela ausência ou pela
morte do especialista humano;
• armazenar informações de forma ativa (criar
uma base de conhecimento) que muitos membros
de uma organização possam examinar, como um
livro texto ou um manual;
• criar um mecanismo que não se sujeitará a sentimentos humanos tais como fadiga e pressa. Isto
pode ser especialmente útil quando os trabalhos
são ambiental, física e mentalmente perigosos
para o homem;
• eliminar trabalhos rotineiros e insatisfatórios
para as pessoas e
• avançar a base de conhecimento da organização ao sugerir soluções para problemas específicos, que são muito intensos e complexos, para
serem analisados pelo homem em um curto período de tempo.
Quais são as limitações da aplicação da IA até o
momento?
• Conhecimento restrito dos profissionais em
computação de IA;
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
Contribuição Especial
• preconceito de uso da IA para a solução de
problemas práticos;
• limitado número de ferramentas que permitem
a integração das facilidades de um programa de
apoio a bancos de dados relacionais e
• limitação dos computadores.
A maior parte das limitações ao uso da IA está
ligada, de forma direta ou indireta, ao custo financeiro das suas ferramentas. É evidente que o
investimento técnico em aprimoramento humano que gere as melhorias técnicas necessárias envolvem o custo destes insumos, no entanto, é de
crucial importância que estes custos sejam avaliados sempre em relação aos benefícios que podem
criar, não só da geração de conhecimento mas da
redução de gastos em outras áreas, além de benefícios secundários.
5. A IA E O SEU USO NA MB
Dentre as aplicações diretas da IA em atividades
da MB, a que mais rapidamente nos vem à mente é o adestramento. Podem-se usar duas formas
para adestramento: a primeira, baseada em simulação com casos reais e a segunda, por simulação
de situações não catalogadas.
• Para treinamento de indivíduos e grupos pode-se usar a técnica de aprendizado baseado em casos. O propósito é aplicar soluções já testadas no
problema a ser resolvido, onde a aquisição de conhecimento é feita a partir da exploração de situações em uma grande biblioteca de experiências
passadas. O enfoque é fazer com que os alunos
expostos a situações do banco de experiências tomem as suas próprias decisões, não sendo meros
aplicadores de regras pré-estabelecidas, mas que
busquem analogias, aplicando-as e tentando explicar suas próprias regras de decisão e
• o aprendizado baseado em simulação é aquele em que a aquisição de conhecimento é feita a
partir de criação de modelos dinâmicos do munRevista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
do real. Esses modelos permitem a exploração de
situações difíceis, custosas e até mesmo impossíveis de acontecerem. A simulação permite desenvolver hipóteses, testá-las e analisar seus resultados para refinar conceitos.
Além do adestramento, uma outra a aplicação da
IA na MB é o planejamento. Ainda baseado em
técnicas de casos e simuladores, e analisando seus
dados, pode-se efetuar o planejamento na exploração de situações de uma grande biblioteca de
dados e simular estas situações. Após a realização
do planejamento pode-se testá-lo em simuladores
e analisar seus resultados, o que permite uma reavaliação e os ajustes pertinentes. Dessa forma,
sem usar meios onerosos, grandes perdas de tempo ou tentativas múltiplas, solucionam-se alguns
problemas práticos sem risco de gasto desnecessário de verbas.
Outra aplicação seria no teatro de operações
onde Sistemas de Apoio à Decisão (SAD), usando agentes inteligentes, pode efetuar buscas em
bancos de dados cada vez maiores, processar
os resultados, simular as diversas alternativas,
buscar cenários que possibilitem à Inteligência
Humana receber os dados essenciais ao seu processo decisório e apresentar alternativas para a
decisão. É importante que os dados aportados
pela máquina encontrem eco na experiência do
decisor final.
O uso de SAD torna possível ao Comandante
avaliar os diversos panoramas propostos e tomar
sua decisão de forma oportuna, apesar da grande
massa de informações presentes na Guerra Moderna e do pouco tempo para processá-las.
Hoje em dia, o Instituto de Pesquisa da Marinha
(IPqM) já apresenta estudos vislumbrando a utilização da IA, tanto em hardware como em software,
no desenvolvimento de alguns de seus projetos.
São, esses projetos, ligados à assinatura acústica
de embarcações, que podem “treinar” sonares
inteligentes para reconhecê-las, à fabricação de
“minas inteligentes” que reconhecendo a assinatura magnética das embarcações atuarão em seus
79
Dilson Godoi Espenchitt
alvos e a sistemas de simulação tática e de treinamento.
gastos devem ser considerados investimentos, de
alto retorno, inclusive geradores de economia.
É importante que esses estudos tenham sucesso,
utilizando-se de sistemas da IA, em projetos de
adestramento, planejamento e apoio à decisão,
tornando-os, desta forma, mais alinhados com as
tecnologias utilizadas nos países mais desenvolvidos e dotando a MB com ferramentas cada vez
mais modernas.
A Marinha, como um centro de excelência em
IA, estará mais capacitada a servir o país de forma mais coerente com o seu papel na dinâmica
mundial. Como centro de referência será portanto, fornecedor de tecnologia para outros órgãos
governamentais ou para a iniciativa privada, gerando melhoria contínua na administração pública bem como fonte de recursos financeiros
alternativos.
Outras organizações da Marinha, como o Centro
de Análises de Sistemas Navais (CASNAV), vem,
usando a tecnologia de IA, desenvolvendo simuladores, cada dia mais alinhados com a realidade
que os homens encontram no mar.
Com simuladores modernos, que tem como entrada de dados parâmetros dos sistemas de armas,
condições do mar e meteorológicas e outras variáveis, pode-se traçar a curva de desempenho de
um sistema sem usar nenhum dia de mar ou sem
disparar um único tiro. Isso é possível por meio
da reprodução virtual de uma infinidade de tiros,
variando-se as condições de realização dos mesmos.
Podem-se simular diversas condições ambientais
e com isto testar-se a performance de sonares e
de radares bem como utilizar esses cenários virtuais para treinar os usuários desses equipamentos.
Apesar de todos os exemplos aqui apresentados,
devemos esclarecer que se trata- ainda de esforços incipientes se levarmos em consideração o
potencial desta tecnologia e as utilizações que
hoje já são feitas em diversas partes do mundo.
Para que se aprofunde nesse potencial, devemos
ter uma linha de maior capacitação dos técnicos
hoje existentes, ou mesmo a captura de cérebros
treinados nas universidades e nas empresas, bem
como um maior investimento no parque tecnológico hoje existente.
Mesmo levando-se em consideração a atual conjuntura econômica do país e do mundo, onde recursos são contingenciados a todo momento, os
80
6. CONCLUSÃO
A IA é hoje uma tecnologia com amplas aplicações
na vida civil. Várias empresas, inclusive algumas
que não atuam no ramo de tecnologia, estão usando a IA como suporte para treinamentos, planejamento e para apoio ao processo de decisão.
Seguradoras usam simuladores para avaliar riscos
e prêmios. Bancos estão usando IA para avaliar
o risco de inadimplência de seus tomadores de
empréstimos e, com isso, reduzir seus riscos.
Operadoras de cartão de crédito avaliam o perfil
de seus clientes usando ferramentas com o apoio
dessa tecnologia, reduzindo dessa forma o risco
de fraudes. A área médica está usando a IA para
correlacionar sintomas, resultados de exames,
diagnósticos, perfis profissionais e sócio culturais,
sendo essas relações utilizadas para melhorar o
entendimento das doenças e os seus tratamentos.
A Petrobras usa esses estudos para avaliar o potencial de seus campos petrolíferos e, com isso,
adequar o investimento ao retorno esperado.
Assim, nada mais natural que a MB, como pioneira na área de tecnologia de ponta, também faça
parte deste seleto grupo de usuários de IA no desenvolvimento das suas atividades.
Deve-se ter em mente que o uso de simuladores
tem como objetivo tornar o usuário familiarizado
com os recursos dos sistemas que irá usar, mas
não irá substituir a ida para o mar.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
Contribuição Especial
É importante ressaltar que os sistemas de apoio
à decisão fornecem elementos para que a decisão
seja tomada, mas a inteligência humana continua
suprema no processo decisório, ou seja, a máquina sempre é secundária à experiência cognitiva
humana, o que significa subordinar a Inteligência
Artificial à Inteligência Humana, que a criou.
REFERÊNCIAS
1. ANDRIOLE, Stephen J. Artificial Intelligence and National Defense. Washington: AFCEA Internacional Press, 1987.
2. BITTENCOURT, Guilherme. Inteligência Artificial Ferramentas e Teorias. Florianópolis: Ed da UFSC, 1998.
3. BRASIL. Escola de Guerra Naval. EGN - 320. Guia para a
Elaboração de Trabalhos Acadêmicos. Rio de Janeiro, 2004.
4. CARVALHO, Luís A. Vidal. Datamining. São Paulo: Érica,
2001.
5. HAYKIN, Simon. Neural Networks – A Comprehensive
Foundation. 2 nd ed. Toronto: Macmilan College Publishing
Company, 1999.
6. MISHKOFF, Henry C. Undertanding Artificial Intelligence. Indianapolis: Howard W. Sams & Co, 1985.
Revista Pesquisa Naval, Brasília, n. 24, 2011, p. 75-81
81
NORMAS PARA SUBMISSÃO E PUBLICAÇÃO DE ARTIGOS NA REVISTA PESQUISA NAVAL
1 - OBJETIVO
A Revista Pesquisa Naval (RPN) é um periódico científico de
publicação anual que apresenta à comunidade científica uma
coletânea de estudos desenvolvidos por pesquisadores das áreas
científica, tecnológica e de inovação, cujos temas sejam pertinentes
às áreas de interesse da Marinha do Brasil (MB).
O periódico é publicado pela Secretaria de Ciência, Tecnologia
e Inovação da Marinha (SecCTM) e avaliado pelo Sistema de
Classificação de Periódicos, Anais, Revistas e Jornais (QUALIS)
da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior (CAPES) nas seguintes categorias: “B4”, nas áreas de
avaliação Engenharia II, Engenharia III e Interdisciplinar; “B5”,
nas áreas de avaliação Engenharia IV e Geociências; e “C”, na
área de Química.
2 - CORPO EDITORIAL
A administração da RPN será conduzida pelo Corpo Editorial
composto pelo Editor-Chefe, Editores-Adjuntos, Conselho
Editorial e pela Comissão Editorial, sendo:
Editor-Chefe:
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha.
Editores-Adjuntos:
Diretor do Instituto de Pesquisa da Marinha – IPqM;
Diretor do Centro de Análise e Sistemas Navais – CASNAV e
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira
– IEAPM.
Conselho Editorial (com os seguintes elementos organizacionais
da SecCTM):
Presidente: Subsecretário de Relações Institucionais.
Membros:
Encarregado da Divisão de Parcerias Estratégicas;
Encarregado da Divisão de Tecnologia Industrial Básica;
Ajudante da Divisão de Parcerias Estratégicas e
Auxiliar da Divisão de Parcerias Estratégicas.
Comissão Editorial:
Membros da comunidade científica, requisitados “ad hoc”, que
farão a avaliação dos artigos em submissão, observados os critérios
de avaliação elaborados pelo Conselho Editorial e aprovados pelo
Editor-Chefe da RPN.
3 - NORMAS EDITORIAIS
3.1 - Características Gerais
3.1.1 - A submissão de artigos é aberta a pesquisadores,
pertencentes ou não à Marinha do Brasil (MB), que apresentem
trabalhos inéditos sobre os seus estudos, isto é, não publicados
em quaisquer revistas ou periódicos, e cujos temas sejam,
prioritariamente, pertinentes às áreas de interesse do Sistema de
Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha (SCTMB), abaixo
discriminadas:
a) Área de Sistemas de Armas e Munições:
Compreende a capacitação para pesquisar, projetar, desenvolver
protótipos e avaliar sistemas de armas e seus componentes
82
(hardware), controle de armas (software), armamento de pequeno
e médio calibre e munições, necessários às Operações Navais.
b) Área do Ambiente Operacional:
Compreende a capacitação para pesquisar, projetar, desenvolver
e inovar modelos, métodos, sistemas, equipamentos, materiais e
técnicas que permitam a produção de informações e a ampliação
do conhecimento sobre os ambientes oceânico, costeiro, fluvial e
lacustre, necessários às Operações Navais.
c) Área de Processos Decisórios:
Compreende a capacitação para pesquisar, projetar, desenvolver
protótipos e inovar modelos, métodos, sistemas e técnicas que
permitam a produção de informações e a ampliação do conhecimento
sobre os processos decisórios, estratégicos, operacionais, gerenciais
e de apoio, necessários às Operações Navais.
d) Área de Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica:
Compreende a capacitação para estudar, pesquisar, projetar,
desenvolver protótipos e inovar sistemas de detecção, de discrição
e de contramedidas necessários às Operações Navais.
e) Área de Desempenho Humano e Saúde:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, modelar, projetar
e desenvolver protótipos, ampliando o conhecimento biomédico,
farmacotécnico, psicológico, da bioengenharia e da ergonomia,
visando a aumentar a capacidade de desempenho, de resistência
a situações de pressão e de proteção da saúde do homem quando
em combate e dos recursos de treinamento por simuladores, de
interesse da Marinha.
f) Área de Materiais Especiais:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar e
desenvolver protótipos e experimentos de materiais para dificultar
a detecção de plataformas, para absorção de energia e proteção
e detecção NBQ, para processos especiais de soldagem, para
emprego na área nuclear, materiais resistentes à abrasão, ao
impacto balístico e de materiais energéticos, ou ainda, materiais
que possuam outras características físico-químicas especiais que
sejam de interesse da Marinha.
g) Área de Energia:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, modelar, projetar
e desenvolver protótipos e experimentos envolvendo sistemas
de geração, exceto nuclear, de acumulação e de distribuição de
energia e sistemas de propulsão de interesse da Marinha.
h) Área de Arquitetura Naval e Plataformas:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar,
simular e desenvolver protótipos, modelos e experimentos de
plataformas navais, anfíbias, terrestres e aéreas, visando à previsão
do seu comportamento nas diversas condições do meio ambiente
onde atuarão, da configuração de seus sensores e armas e da
configuração de seus sistemas de propulsão e governo, necessários
às Operações Navais.
i) Área de Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações:
Esta área compreende dois segmentos: a cibernética (tecnologia
da informação) e a tecnologia das comunicações, antes tratadas
de forma isolada e atualmente abordadas de forma integrada,
considerando a convergência de suas respectivas tecnologias.
O segmento da cibernética, com ênfase na tecnologia da
informação, compreende a capacitação de estudar, pesquisar,
projetar, simular e desenvolver protótipos, modelos e
experimentos, visando ao desenvolvimento e à qualidade do
software, à topologia das redes de computadores, à criptologia e
às medidas de apoio à guerra cibernética de interesse da Marinha.
O segmento da tecnologia da comunicação compreende a
capacitação de estudar, pesquisar, projetar, simular e desenvolver
protótipos, modelos e experimentos visando à comunicação de
dados e/ou voz e à avaliação de desempenho das comunicações.
j) Área de Nanotecnologia:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar, modelar,
simular e desenvolver protótipos e experimentos envolvendo a
engenharia do átomo, que leve à criação de elementos, substâncias
e materiais inexistentes na natureza e que atendam a necessidades
específicas de interesse da Marinha.
k) Área Nuclear:
Compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar, modelar,
simular e desenvolver protótipos e experimentos envolvendo as
atividades afetas ao ciclo do combustível nuclear e a geração de
energia nuclear para propulsão naval de interesse da Marinha.
3.1.2 - Os artigos devem ser submetidos por meio do Sistema
Eletrônico de Editoração de Revista (SEER), no endereço da
Internet:
http://www.secctm.mar.mil.br/revpesqnav/ojs/index.php/rpn/
about/submissions.
3.1.3 - Quando da submissão, será solicitado ao autor que enquadre
o artigo em uma das áreas de interesse do SCTMB, discriminadas
no item 3.1.1. O Conselho Editorial, sempre que julgar necessário,
poderá alterar essa indicação.
3.1.4 - Os autores dos artigos em submissão deverão acompanhar
o andamento do processo de seleção na página da Revista e efetuar
as solicitações indicadas no sistema, com a máxima brevidade.
3.1.5 - O Português é o idioma oficial da RPN. Em caráter
excepcional, por decisão do Conselho Editorial, poderão ser
aceitos trabalhos em outro idioma.
3.1.6 - O artigo em submissão não poderá ser submetido para
publicação em outras revistas, simultaneamente com a RPN,
implicando em cancelamento da submissão.
3.1.7 - O número de artigos para publicação, por edição, será
limitado a um por autor.
3.1.8 - Os artigos originais serão submetidos à avaliação da
Comissão Editorial, sem qualquer identificação de autoria,
garantindo que sejam preservados o critério de sigilo do autor e a
isenção na submissão para avaliação por pares.
3.1.9 - O Conselho Editorial da RPN selecionará os artigos a
serem publicados, avaliando o cumprimento das Normas para
Submissão de Artigos Científicos à RPN, bem como os pareceres
apresentados pela Comissão Editorial.
3.1.10 - No caso de haver número de artigos maior do que o
comportado pela edição, os excedentes poderão ser reservados
para publicação nas edições subsequentes, mediante autorização
formal dos autores.
3.1.11 - Após aprovação do artigo em submissão, os autores serão
comunicados formalmente e encaminharão ao Conselho Editorial
a “Declaração de Responsabilidade e Cessão dos Direitos de
Autor para Publicação de artigo na RPN”, conforme anexo.
No caso de autoria múltipla, a declaração poderá ser assinada
apenas pelo autor responsável pela submissão do artigo, o qual se
responsabilizará pelos demais.
3.1.12 - A revisão gramatical e a obediência às normas de
referência, citadas no item 3.2.14, deverão ser obrigatoriamente
providenciadas pelo autor do trabalho, antes de sua submissão.
Entretanto, no intuito de zelar pelo padrão culto da língua
portuguesa, o Conselho Editorial da RPN se reserva ao direito de
efetuar, nos originais, alterações de ordem normativa, ortográfica
e gramatical, respeitando, porém, o estilo dos autores. A versão
final será enviada aos autores para a devida ratificação.
3.1.13 - A versão final do artigo será adequada ao padrão de
formatação gráfico da revista. Não serão fornecidas separatas.
Os artigos estarão disponíveis, no formato “pdf ”, no endereço
eletrônico da revista, bem como o previsto no item 4.2.
3.1.14 - Os autores dos artigos publicados não perceberão
qualquer tipo de remuneração ou pró-labore.
3.1.15 - A RPN fica autorizada, em caráter de exclusividade, a
publicar os artigos indicados na “Declaração de Responsabilidade
e Cessão dos Direitos de Autor para Publicação de artigo na
Revista Pesquisa Naval”, encaminhado de acordo com o item
3.1.11, pelo prazo e nas condições ali estabelecidas.
3.1.16 - Os trabalhos publicados passam a ser propriedade da
RPN, sendo permitida a reprodução parcial ou total dos trabalhos,
desde que a fonte seja citada.
3.1.17 - Os artigos publicados, bem como as opiniões emitidas
nesses artigos, são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).
3.2 - Características Técnicas
3.2.1 - Os artigos serão submetidos ao Conselho Editorial,
conforme item 3.1.2, em arquivo eletrônico gravado na extensão
“RTF” (Rich Text Format) e com tamanho máximo de 2MB.
Formato:
a) margens: superior e esquerda 3 cm; direita e inferior de 2 cm e
b) papel A4 (21cm X 29,7cm).
3.2.2 - A estrutura dos artigos conterá as seguintes seções, na
sequência indicada:
(1) Título (português e inglês);
(2) Identificação dos Autores;
(3) Resumo;
(4) Palavras-chave;
(5) Abstract;
(6) Keywords;
(7) Introdução;
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(8) Metodologia de Pesquisa;
(9) Resultados;
(10) Discussão;
(11) Conclusões e
(12) Referências.
Todas as seções e subseções, a partir da Introdução, serão
numeradas com algarismos arábicos. Permite-se a omissão da
Seção (8) e a fusão das Seções (9) e (10), quando a natureza do
trabalho assim o recomendar.
3.2.3 - Tamanho: a extensão máxima do artigo será de 20 laudas,
incluindo os elementos pré-textuais, texto e pós-textuais. Uma
lauda é uma página com 1.250 caracteres.
3.2.4 - Título: será breve e suficientemente específico e descritivo,
contendo as palavras-chave que representem o conteúdo do texto,
acompanhado de sua tradução para o idioma inglês.
Formato: fonte Times New Roman, tamanho 14, em negrito,
letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo centralizado, com
efeito itálico para o título em inglês.
3.2.5 - Identificação dos autores: deverá constar o nome
completo de cada autor, seguido do título profissional e titulação
acadêmica, informação completa sobre a afiliação do autor
(incluindo instituição de origem, vínculo funcional, cidade, estado
e país) e o endereço eletrônico para contato.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 10, letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo
centralizado. Aplicar o efeito negrito somente para o nome do
autor.
3.2.6 - Resumo/Abstract: o resumo elaborado será de caráter
informativo, com o máximo de 150 palavras, ressaltando o
objetivo, o método, os resultados e as conclusões. O abstract será
a tradução integral do resumo para o inglês.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12, com efeito itálico para o Abstract, e parágrafo
justificado.
3.2.7 - Palavras-chave/Keywords: as palavras-chave deverão ser
separadas por ponto. As keywords serão a tradução integral das
palavras-chave para o inglês.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12, com efeito itálico para as keywords, letras
maiúsculas e minúsculas e parágrafo justificado.
3.2.8 - Texto (seções 7 a 9, definidas no item 3.2.2):
a) fonte Times New Roman, tamanho 12;
b) espaçamento entre linhas de 1,5;
c) uma coluna e
d) parágrafo justificado.
3.2.9 - Notas explicativas: notas contidas no artigo deverão ser
evitadas. Quando possível, os textos com essas características
serão incorporados aos elementos textuais.
3.2.10 - Agradecimentos: se for o caso, deverão ser mencionados
no final do trabalho, antecedendo as referências.
Formato: espaçamento entre linhas de 1,5, fonte Times New
Roman, tamanho 12, letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo
justificado.
84
3.2.11 - Referências: serão apresentadas em ordem alfabética
no final do artigo, de acordo com a norma da ABNT - NBR6023/2002. Todas as referências deverão ser citadas no texto de
acordo com o sistema alfabético (autor-data).
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12 e parágrafo justificado.
3.2.12 - Figuras, tabelas ou ilustrações: deverão conter
legendas e ser assinalados, no texto, pelo seu número de ordem.
Se as ilustrações utilizadas já tiverem sido publicadas, mencionar
os créditos ou fonte de consulta. É imprescindível que a imagem
esteja com, no mínimo, 300 DPIs.
Formato:
As legendas ou fonte de consulta estarão em fonte Times New
Roman, tamanho 10 e parágrafo centralizado.
3.2.13 - Com o propósito de atender ao item 3.1.8, os elementos
textuais do artigo não poderão conter qualquer forma de
identificação do(s) autor(es).
3.2.14 - Para aspectos gerais de apresentação, referências
bibliográficas, citações, notas e demais detalhes, serão observadas
as seguintes normas:
a) ABNT – NBR 6021/2003 – publicação periódica científica
impressa;
b) ABNT – NBR 6022/2003 – artigo em publicação periódica
científica impressa;
c) ABNT – NBR 6023/2002 – referências;
d) ABNT – NBR 6024/2003 – numeração progressiva;
e) ABNT – NBR 6027/2003 – sumário;
f) ABNT – NBR 6028/2003 – resumo;
g) ABNT – NBR 10520/2002 – citações e
h) Apresentação tabular do Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística – IBGE.
4 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1 - O(s) autor(es) do(s) artigo(s) em submissão será(ão)
oportunamente informado(s) sobre o seu andamento, por E-mail,
até a publicação do mesmo na RPN.
4.2 - É de direito do(s) autor(es) o recebimento de três exemplares
da edição que consta a publicação de seu(s) artigo(s), cabendo
ao Conselho Editorial da RPN a responsabilidade do envio aos
autores.
4.3 - Qualquer solicitação de informações adicionais deverá ser
encaminhada à:
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Subsecretaria de Relações Institucionais
Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Esplanada dos Ministérios, Bloco “N”, 4º andar
CEP: 70055-900 – Brasília/DF
E-mail: [email protected]
Tel./Fax: (61) 3429-1948.
ANEXO
DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE E DE CESSÃO DOS DIREITOS DE AUTOR PARA
PUBLICAÇÃO DE ARTIGO NA REVISTA PESQUISA NAVAL
Ao Presidente do Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Esplanada dos Ministérios, Bloco “N”, 4º andar
70055-900 – Brasília – DF
Assunto: Declaração de Responsabilidade e de Cessão dos Direitos de Autor para publicação de artigo na Revista Pesquisa
Naval.
Declaro(amos) que o artigo intitulado “___________________________________”, enviado à Revista Pesquisa Naval,
periódico científico da Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha, é um artigo inédito e o seu conteúdo não
está sendo considerado para publicação em outras revistas, seja no formato impresso seja no eletrônico.
Certifico(amos) que participei(amos) suficientemente da elaboração do artigo para tornar pública minha (nossa)
responsabilidade pelo seu conteúdo.
Cedo(emos), com exclusividade, a título gratuito e pelo período de dois anos, os direitos autorais patrimoniais do artigo
supracitado à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha, para publicação na ____ª edição da Revista
Pesquisa Naval, a qual poderá ser em formato impresso ou em formato eletrônico, neste último caso para disponibilização
na página Internet da RPN.
Aceito(amos) as condições deste termo. (todos os autores)
Local, em _______de ______de 20__.
Assinatura do(s) autor(es) (nome completo, CPF, RG/Órgão Expedidor, cargo/profissão, instituição onde trabalha,
endereço funcional)
85
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA
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